WO2008063038A1 - Catalytic coating production method - Google Patents

Catalytic coating production method Download PDF

Info

Publication number
WO2008063038A1
WO2008063038A1 PCT/LT2006/000010 LT2006000010W WO2008063038A1 WO 2008063038 A1 WO2008063038 A1 WO 2008063038A1 LT 2006000010 W LT2006000010 W LT 2006000010W WO 2008063038 A1 WO2008063038 A1 WO 2008063038A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
aluminum
layer
hydrotalcite
coating
powder
Prior art date
Application number
PCT/LT2006/000010
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Aleksander Pavlovich Khinsky
Kristina Klemkaite
Nerijus Laurinaitis
Avelino Corma
Eduardo Polomares
Original Assignee
Uab 'norta'
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 Uab 'norta' filed Critical Uab 'norta'
Priority to PCT/LT2006/000010 priority Critical patent/WO2008063038A1/en
Publication of WO2008063038A1 publication Critical patent/WO2008063038A1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06Metallic material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/76Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
    • B01J23/78Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36 with alkali- or alkaline earth metals
    • 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
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0215Coating
    • B01J37/0225Coating of metal substrates
    • 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
    • B01J37/02Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/024Multiple impregnation or coating
    • B01J37/0244Coatings comprising several layers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/16Metallic particles coated with a non-metal
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/202Alkali metals
    • B01D2255/2027Sodium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/204Alkaline earth metals
    • B01D2255/2047Magnesium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207Transition metals
    • B01D2255/20715Zirconium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207Transition metals
    • B01D2255/20723Vanadium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207Transition metals
    • B01D2255/20746Cobalt
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/20Metals or compounds thereof
    • B01D2255/209Other metals
    • B01D2255/2092Aluminium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2255/00Catalysts
    • B01D2255/90Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/92Dimensions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2257/00Components to be removed
    • B01D2257/40Nitrogen compounds
    • B01D2257/404Nitrogen oxides other than dinitrogen oxide
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2257/00Components to be removed
    • B01D2257/70Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/702Hydrocarbons
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • B01D53/9404Removing only nitrogen compounds
    • B01D53/9409Nitrogen oxides
    • B01D53/9413Processes characterised by a specific catalyst
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to methods for coating by spraying a material in a molten state and may find application in various fields of chemistry, energy. State of the art
  • Known methods for applying protective coatings using compositions based on aluminum compounds by methods of thermal spraying Aluminum oxide is most widely used as a powder material for spraying coatings based on aluminum. As a rule, thermal spraying of ceramic coatings is carried out on a previously applied metal sublayer. Powder materials in pure form and / or their compounds - oxides, carbides, nitrides, etc. are used to spray coatings by thermal spraying methods. Often, sprayed powders are composite materials, for example, nickel particles coated with aluminum, tungsten, molybdenum.
  • composition of the metal core and the thin coating layer is dictated by the need to take into account many factors, including a set of mechanical and special properties (adhesion strength of the coating to the substrate, porosity, corrosion resistance, erosion resistance, abrasion and wear resistance), as well as economic factors (production cost) .
  • the powder material In the process of thermal spraying, the powder material, as a rule, undergoes some transformation. This is due to the obligatory stage of the passage of powder materials in a jet of gas plasma (with plasma spraying) or in a stream of combustion products (with flame spraying).
  • the particles of the sprayed material are heated to various temperatures, which causes various kinds of transformation in the particles - from surface heating and melting to complete melting and even transfer of the material into gas
  • the first and third tasks are polar opposites, since to ensure reliable contact with the substrate, it is desirable to completely melt the particles during their passage in the gas stream - this ensures reliable adhesion of the coating to the substrate, but the shape of the particles is lost and the substructure of the coating changes.
  • the process is often carried out in two or more stages. In this case, at the first stage, a special thin intermediate layer (sublayer) is sprayed, which, on the one hand, provides reliable adhesion to the substrate, and on the other hand, provides a good adhesion of the main layer, which is sprayed onto its surface.
  • powders As materials for spraying, powders, powder mixtures and special compositions of powders are used. As such compositions, powders are often used with a coating applied to their surface (the coating can be multilayered), powders with small particles of another material attached to their surface, and powders combined into whole complexes of particles connected to each other in a specific, ordered manner.
  • a known method of forming metal particles with an oxide coating for a plasma spraying process (US6582763, ⁇ r mecanicss SWs f adoptedrrrhafene so composedt Foodd fme metal r diaryt deadlinel Switzerlands).
  • the fundamental difference from the usual surface oxidation process is the fact that a thin layer of oxides of those metals that are not part of the metal core is formed on the surface of metal particles.
  • the process of applying an oxide coating includes the following stages - mixing a metal powder with an oxide, then feeding the mixture of powders into the thermal plasma stream to obtain a vapor phase; and finally, quenching (hardening) to fix the oxide layer on the surface of the particles.
  • JP2005068508 Metal rover coater with Iporpur superfme rapplic apd its product method.
  • the coating which contains particles of aluminum oxide, aluminum hydroxide or their complex compounds, boron or phosphorus, in the form of a gel is deposited on the surface of metal powder particles.
  • the final formation of the inorganic coating occurs during the heat treatment of the coated powder.
  • a known method for the production of powder with a titanium coating (RU2178341, Titapium roverdrodustiop rocess), in which during the joint grinding of a metal powder with a titanium sponge, a thin layer of titanium is applied to the surface of the powder.
  • Thermal spraying methods are usually used to obtain coatings that provide mechanical (increase in surface hardness, decrease in friction coefficient and increase in wear resistance), physical and chemical (increase corrosion resistance in water and gas, gas erosion, increase radiation resistance) and special (in particular catalytic) properties.
  • the catalytic activity of a material is determined by a number of factors, both chemical and technological.
  • the technological factors that determine the degree of catalytic activity is, in particular, the degree of development of the catalytic surface (Farrauto, RJ., Vartholom, CH, 1997. Pharmaceuticals Industrial Technologies ⁇ r Canalss Moscows ⁇ , 78-86: 122-134).
  • This term describes a parameter characterizing the total surface area of one gram of coating. In the case of conventional coatings, this parameter is 0.01-0.1 m 2 / g, while in the case of special, catalytic coatings, it reaches 100-400 m 2 / g.
  • Such a catalytic surface allows the placement of a proportionally larger volume of catalytic material.
  • the increase in the specific free surface, ceteris paribus is proportional to the increase in the catalytic activity of the coating.
  • a specific problem that must be solved by thermal spraying of catalytic coatings is the need to ensure a high specific surface.
  • One of the solutions to this problem may be to increase the porosity of the coating during the spraying process. High porosity of the coating for conventional coatings is undesirable, as it causes deterioration adhesion to the substrate, as well as a decrease in the physicochemical characteristics of the coating.
  • the sprayed powder materials are a mixture of powders, including catalytic materials (metal oxides), aluminum hydroxides, in particular gibbsite and boehmite, which ensure the development of the free surface of the coating during and / or after spraying and a metal binder, usually aluminum which provides adhesion of the sprayed particles to each other and to the substrate.
  • catalytic materials metal oxides
  • aluminum hydroxides in particular gibbsite and boehmite
  • a method for forming a catalytic coating is proposed (RU2126717C1, A method for manufacturing a catalytic unit for neutralizing gas emissions), in which a powder mixture consisting of aluminum - 0.5-5% and aluminum hydroxide is applied to the surface of a metal strip with high electrical resistance by plasma spraying with natural accompanying impurities.
  • a plasma-forming gas air or another oxygen-containing mixture is used.
  • spraying it is proposed to maintain regulated energy regimes that ensure, on the one hand, the melting of aluminum particles, but excluding the thermal decomposition of aluminum hydroxide.
  • the specified method allows you to get on the surface of a metal tape carrier thin composite layer with high adhesive strength.
  • aluminum hydroxide (gibbsite) dispersion less than 10 microns.
  • aluminum hydroxide (gibbsite) does not require chemical treatment, but is used with natural (technological) impurities - sodium, potassium, calcium, silicon, etc. - which are in this case thermostabilizing elements and provide an additional increase in thermal stability
  • a known method of manufacturing a composite coating (RU97101513A, a Method of manufacturing a composite coating), in which a porous coating comprising a metal oxide and a metal binder is applied to the initial substrate by plasma spraying.
  • plasma spraying use a mixture of powders, including aluminum oxide and / or titanium, aluminum as a metal binder and additionally aluminum hydroxide and / or titanium.
  • the value of the specific free surface after decomposition of the sprayed layer is 50-70 m 2 / g of coating.
  • a known method of applying a porous coating to metal and ceramic materials by plasma spraying (US6254938B1, Sprauipg metod for arrluipg and porous coatigot substitute).
  • a powder mixture which includes aluminum hydroxide, aluminum oxide and / or titanium, glass powder, as a component forming a microstructure, aluminum metal powder and / or titanium as a metal binder.
  • various components of the sprayed powder are introduced into different areas of the plasma flow. So, for example, aluminum hydroxide is introduced into the colder zone of the stream, and metals - aluminum and titanium - into the hotter one.
  • the resulting coating according to the authors, is characterized by high adhesion to the metal substrate and high porosity.
  • the intermediate layer must, firstly, have a thermal expansion coefficient (ctr) as close to the ctp of the substrate, and, secondly, be as integrated as possible into the structure substrates, i.e. atoms of the coating material should form metallic bonds with atoms of the substrate material. If the first condition can be quite easily satisfied by selecting the material of the intermediate layer with a c.t.p. as close as possible to the c.t.
  • the relative free surface in this case should be at least 10 m 2 / g (this means that one gram of the coating must have a total surface of 10 square meters), which should provide high adhesion of the sprayed coating.
  • recalculation of the maximum open porosity established for the intermediate layers sprayed in the usual way by the value of the relative free surface shows that the latter in this case does not exceed a value of the order of 1-2 m 2 / g, which is clearly not enough.
  • the sprayed layer must be dense (on the side adjacent to the substrate), which should provide high adhesion to the substrate, and, therefore, high thermomechanical characteristics of the coating, and, at the same time , the sprayed layer must be highly porous (on its surface) to ensure special, including catalytic, properties. This contradiction is resolved due to the specific chemical composition of the sprayed powders and the original technology of their spraying.
  • metal aluminum performs, firstly, the role of the metal sublayer, providing high adhesion strength of the sprayed layer to the substrate, and, secondly, the role of the metal bond to fix the particles of the porous surface of the sprayed layer.
  • Silicate glass powder provides the development of the macrostructure of the sprayed coating.
  • a composite layer consisting of aluminum, melted in a plasma jet and forming a plastic sublayer on the surface of the substrate. Glass particles partially melted from the surface are embedded in this layer, which ensures their strong adhesion to the layer. And finally, particles of aluminum hydroxide, which did not decompose during passage through the plasma jet, were introduced into the surface of this layer.
  • the composite coating obtained in this way is not the final product, because, firstly, it is not porous, and secondly, its phase composition does not meet the requirements for special coatings (for example, for using the coating in catalysis gamma and theta modifications of aluminum oxides should be predominantly on its surface) and, thirdly, the residual thermal stresses (the result of the plasma spraying process itself) are quite high.
  • Obtaining the necessary physical and chemical properties of the sprayed composite coating is achieved by conducting heat treatment in an oxidizing environment, mainly in air. During the decomposition of aluminum hydroxide in the temperature range 480-660 ° C during the heat treatment, the formation of aluminum oxide with a highly developed microporous surface occurs in accordance with reaction (1).
  • the process of heat treatment of the sprayed composite layer in an oxidizing medium provides, according to the authors, the preparation of the necessary chemical and phase composition on the surface with the simultaneous formation of a specific macro- and microstructure of the surface layer.
  • the method of thermal spraying described in detail above for the preparation of catalytic coatings has a number of significant drawbacks, the main of which is the problem of preventing thermal decomposition of aluminum hydroxide during its passage in a plasma jet.
  • any change in the mass of particles, air pressure in the plasmatron, or a small change in the electrical parameters of the source during the deposition process will lead to a change in the trajectory of the particles, and, therefore, to decomposition of particles in the process of spraying, or to their underheating - in this case, they simply will not adhere to the substrate.
  • a precursor is usually understood as a substance that contains the necessary catalytic materials and, after its application to the surface of the carrier, can be converted, after a series of procedures, into a catalyst (Farutauto, RJ., Pharmaceutical, C.H., 1997, Industrial Chemical Industrial Chemicals). As such procedures, heating, irradiation or other activation of the surface of the catalytic coating can be used.
  • complex powder materials as precursors can also solve a number of specific problems associated with the deposition of catalysts.
  • a spraying option using a mixed composition consisting of aluminum metal, aluminum oxide and hydroxides The proposed process allows to obtain a catalytic coating characterized by a relatively high free surface (50-70 m 2 / g) and a statistically uniform distribution of catalyst particles.
  • the optimal operation of the catalyst is possible only when the catalytic particles are on the surface of a special catalytic carrier, the role of which is played by gamma and theta alumina, as well as aluminum hydroxide in the form of gibbsite and / or boehmite.
  • the catalytic activity of the catalyst is higher, the higher the degree of development surface.
  • the thermal spraying process is constructed in such a way that aluminum hydroxide is applied to the surface of the product in an undecomposed or partially decomposed state. Subsequent heat treatment leads to thermal decomposition of the hydroxide and a strong increase in the free surface.
  • an increase in the free surface does not lead to migration and redistribution of catalyst particles on the surface of the catalytic carrier (see Fig. L).
  • the catalyst particle is rigidly fixed in the sprayed layer after thermal spraying and its position does not change during the decomposition of aluminum hydroxide. Therefore, an increase in the free surface is not accompanied by a proportional increase in catalytic activity.
  • the formation of the precursor occurs upon impregnation of boehmite, which has a certain crystallite size, namely, in the range of 4-30 nanometers.
  • solutions for coating formation aqueous solutions of salts and organic solvents are used.
  • a method for forming a precursor (EP 1462475 Al, Mg-Zn-
  • Albased bakedite-resin and resin composition containing theme in which the composite Mg-Zn-Al layer is formed on the surface of the core, consisting of Mg-Al hydrotalcite.
  • the particle size of the precursor is 0.1-1.0 microns.
  • JP2004255245 the Wellbearing method, the method of the method, the method consists of the aluminum, the surface is the hydrothermal method, which includes the aluminum surface and magnesium nickel.
  • This precursor is subjected to heat treatment in a reducing medium, where nickel oxide is reduced to nickel and its uniform distribution on the particle surface is ensured.
  • a known method for the manufacture of composite coatings (WO2004079035, Method for production and co-production) with plasma spraying.
  • the composite coating obtained in accordance with this method can be used as a substrate for applying various coatings, for example, polymer, as well as impregnation with various compositions, including catalytic ones.
  • the proposed method consists in the fact that in the sprayed powder, providing the development of the microstructure of the coating, enter the composite powder with a coating of the type hydrotalcite (composite precursor).
  • a coating of this composition is sprayed onto a metal or ceramic substrate, then machining and heat treatment are carried out by annealing.
  • the aim of the invention described above is to obtain a catalytic coating having enhanced characteristics, namely, the adhesion strength of the coating to the substrate and a high free surface.
  • a coating is applied to the substrate by thermal spraying, which includes a mixture of alumina powders, aluminum metal as a binder metal, glass powder, as a material for the formation of the coating macrostructure, as well as a composite precursor with a coating of hydrotalcite type.
  • Composite powder (precursor) rest As a composite powder in a coating according to the invention, an aluminum hydroxide-based powder material is used with a hydrotalcite type coating applied to its surface.
  • Gibbsite Al (OH) 3 has a monoclinic crystal lattice and dissociates in the temperature range
  • Hydrotalcite is usually understood to mean a natural mineral represented by the formula Mg 6 Al 2 (OH) 2 .16CO 3 . 4H 2 O.
  • the structure of hydrotalcite is derived from brucite Mg (OH) 2 , where magnesium ions form octahedra that line up in an infinite layer. These layers are superimposed on one another and are held together due to hydrogen bonds.
  • the layer receives an additional positive charge, which is compensated by the introduction of divalent CO 3 anions located between the layers.
  • hydrotalcite-type materials are isomorphic analogues in which the cations of magnesium and aluminum are partially replaced by divalent and trivalent metal cations with a close ionic radius.
  • the decomposition of materials such as hydrotalcite occurs, as a rule, in three stages.
  • the so-called crystallization water is released from hydrotalcite, which is retained in the structure during crystallization.
  • anions are separated from the structure, which are located between the cation layers and provide electrostatic equilibrium of the material.
  • the departure of anions is accompanied by the release of interplanar space and the primary development of the surface of the material. In this case, there is no destruction of the structure of the material, and it can be restored by holding the material in an atmosphere of saturated steam.
  • hydrotalcite decomposition occurs in three stages, which opens up great opportunities for multi-stage heat treatment, - within the second stage of hydrotalcite decomposition (350-450 ° C), its structure can be completely restored in an atmosphere of saturated steam,
  • the temperature of the interval of the third stage of decomposition of hydrotalcite is 650-750 0 C, which significantly exceeds the temperature range of the decomposition of aluminum hydroxide, which is 500-560 0 C, - the free surface after the complete decomposition of hydrotalcite is 200-400 m 2 / g.
  • hydrotalcites and aluminum hydroxides The most important fundamental difference between hydrotalcites and aluminum hydroxides is their ability to replace aluminum and magnesium cations with trivalent and, accordingly, divalent cations of most metals, the oxides of which are widely used in catalysis, provided that their ionic radius is not much different from the ionic radii of aluminum and magnesium. This allows one to introduce such metals directly into the structure of hydrotalcites and, thus, use the main features of their decomposition to obtain catalysts the necessary chemical composition in the form of a mixture of oxides or complex oxides
  • hydrotalcites with partially substituted magnesium and aluminum ions that are advisable to use as a material ensuring the creation of a highly efficient catalytically active surface with high microporosity.
  • the precursor when using a composite precursor, a high level of catalytic properties is achieved due to the fact that the precursor is a porous particle of aluminum hydroxide (gibbsite or boehmite), on the surface of which a thin layer of hydrotalcite is deposited.
  • the precursor core consisting of gibbsite or boehmite, transforms into aluminum oxide, and hydrotalcite on its surface into a mixture of oxides or, depending on the processing temperature, spinel.
  • An example is the attempt to reproduce the plasma spraying technology of a catalytic coating on a metal substrate in accordance with the patent WO2004079035 described above.
  • a thin (40 ⁇ m) strip of heat-resistant chromium-aluminum steel grade OC404 (Sandvik) was used as a substrate.
  • Plasma spraying was performed using an APP-403 type current source and an air plasma torch. Air was used as a plasma-forming gas.
  • the electrical parameters corresponded to those cited in the aforementioned patent, namely, voltage of 210 volts, current of 150 amperes. The regulation of these parameters was carried out in a rather narrow range (voltage within 200-220 volts, current within 140-160 amperes).
  • the only parameters that can be widely controlled with plasma spraying are the speed and flow rate of the sprayed powders.
  • the powder can be supplied in two ways - by introducing the powder into the plasma torch and feeding along the axial line in the plasma jet (to the most warmed up zone) and feeding directly to the peripheral (colder zone) plasma jet.
  • a mixture of powders was used, including, according to the patent, 85% of the composite powder (boehmite coated with hydrotalcite), 10% alumina of gamma modification, 3% aluminum and 2% glass powder (all powders with a fineness of less than 60 microns).
  • a mixture of powders was supplied:
  • Option 4 - separate feed a mixture of aluminum and glass powders into the peripheral zone of the jet 30 mm from the nozzle exit (hotter zone), a mixture of composite powder and aluminum oxide into the peripheral zone of the jet 70 mm from the nozzle exit (cooler zone).
  • the first embodiment of the powder supply is not acceptable in this case.
  • the powder mixture when the powder mixture was fed into the peripheral zone of the plasma jet at a distance of 30 mm from the nozzle exit, a coating was obtained with satisfactory properties about 10 microns thick. However when serving powder mixture in the peripheral zone was observed, as shown by weight analysis, an extremely irrational flow rate of the sprayed powder. The amount of powder deposited was not more than 3-5% of the total amount of powder supplied.
  • the powder mixture when the powder mixture was supplied to the peripheral zone of the plasma jet at a distance of 70 mm from the nozzle exit, the powder did not have time to warm up when passing through the plasma and did not form a coating on the surface of the carrier. Thus, the third embodiment of the powder supply is not acceptable.
  • the main problem is that although the particle diameter of the composite precursor is large enough (reaches 100 microns), their mass is insufficient for effective incorporation into the intermediate layer deposited on the surface of the substrate to increase adhesion.
  • aluminum particles included in the composition of the powder mixture are effectively embedded in the intermediate layer, capturing part of the sprayed particles and thereby increasing the efficiency of the process.
  • most of the powder - from 80 to 90% - does not spray and goes to waste, thereby reducing the efficiency of the spraying process.
  • it seems reasonable to significantly increase the particle mass of the composite precursor by introducing additional materials that are used in the spraying process and which, at least, will not reduce the level of catalytic properties of the coating. This will provide a sharp increase in the density of the deposited layer, and, consequently, the level of catalytic properties, as well as a reduction in the unproductive expenditures of the powder of the composite precursor by reducing losses during sputtering.
  • This problem can be solved by creating a composite precursor in which a metal aluminum particle is a core on which an intermediate layer of aluminum hydroxide is deposited, firmly adhered to the metal core and having a developed surface on which a layer of hydrotalcite is deposited.
  • Fig.Z is a diagram of the sequential development of the concept of a precursor.
  • the diagram shows the evolution of the precursor concept - starting with a hydrotalcite particle, through a composite powder in which aluminum hydroxide plays the role of a core (gibbsite or boehmite), and hydrotalcite is used as a coating, and to a precursor, which is a composition of an aluminum core, an intermediate hydroxide layer aluminum and hydrotalcite coatings.
  • the aluminum particle which is the core of the precursor, should have a size of 60-100 microns, which is due to the possibilities of feeding the powder from the dispenser and its passage through the plasma torch.
  • the process of creating an aluminum hydroxide layer on the particle surface is a rather complicated task, since it must ensure that the following conditions are met:
  • the process of growing a porous layer on the surface of an aluminum particle consists in sequentially hydrating the oxide layer to form a porous structure, then again forming the oxide layer, hydrating it, etc.
  • the process can be brought to a porous hydroxide layer of the required thickness or even complete hydration of the aluminum particle.
  • the series of articles (KINETICS AND CATALYSIS, 2000, volume 41, Xa 6, p.907-915, KINETICS AND CATALYSIS, 2000, volume 41, JV ° 6, p.916-924) describes the technology for producing porous cermet by forming aluminum particles coated with aluminum hydroxide on the surface and their subsequent pressing.
  • the formation of a porous layer of aluminum hydroxide on the surface of the particles is carried out during the oxidation of aluminum particles in an autoclave with a controlled temperature and pressure.
  • the basic laws of the kinetics of the formation of the surface layer of aluminum hydroxide (boehmite) during the oxidation of aluminum particles in the vapor phase (hydrothermal oxidation) are established in the articles.
  • boehmite layer As established during the research, at the initial stage of the process, the formation of aluminum oxide occurs, which then, during hydration, turns into boehmite.
  • the free surface of the boehmite layer With its volume of less than 10%, is 200-250 m 2 / g. With a further increase in the volume of the surface layer, the free surface decreases to 150-160 m 2 / g.
  • a known method for producing aluminum hydroxides (WO 2004 / 071950A1, A method for producing hydroxides or oxides of aluminum and hydrogen and a device for its implementation) from a powder of finely dispersed aluminum with a particle size of not more than 20 ⁇ m, from which an aqueous suspension is prepared, which is fed to the reactor, where the suspension is sprayed with drops with a diameter of 5-100 microns in water under a pressure of 20-40 MPa at a temperature of 220-900 ° C.
  • a hydrotalcite layer on the porous surface of aluminum hydroxide can be carried out by various methods, including methods of impregnation, coprecipitation, etc. (CN1483513, "sootipg”).
  • the objective of the invention was to develop a complex precursor for thermal spraying of catalytic coatings.
  • the complex precursor was supposed to be particles including an aluminum core, an intermediate coating of aluminum hydroxide and an outer layer of catalytic material based on synthetic hydrotalcite.
  • the catalytic coating obtained in the process of thermal spraying of a complex precursor should provide good adhesion to the substrate, a high specific free surface and high catalytic properties in the reaction of reduction of nitrogen oxides.
  • the essence of the invention consists in the fact that for the thermal spraying of catalytic coatings a special powder material is made - a precursor (resursor), each particle of which is a core of aluminum with an intermediate layer of aluminum hydroxide deposited on its surface and a surface layer of catalytic material deposited on the surface of the intermediate layer - synthetic hydrotalcite.
  • a precursor resursor
  • aluminum powder with a dispersion of 20-100 microns is used.
  • the technological process for obtaining a precursor includes two stages:
  • stage 1 For the production of the precursor, a technological process for hydration of aluminum powder (stage 1) was developed, which provides a porous intermediate layer of aluminum hydroxide on the surface of aluminum particles.
  • FIG. Figure 4 shows an X-ray diffraction pattern of an aluminum powder with a hydrated layer.
  • peaks corresponding to aluminum peaks corresponding to aluminum hydroxides, namely boehmite and bayerite, are clearly visible.
  • Figure 4 - x-ray aluminum powder with a hydrated layer.
  • the development of the chemical and phase composition of synthetic hydrotalcite for the deposition of a surface catalytic layer on a precursor was carried out as follows.
  • the development of the catalyst was carried out in relation to the task of reducing nitrogen oxides and oxidizing carbon monoxide in the exhaust gases of a diesel engine. This statement of the problem determined the requirements for both the catalyst and its operating conditions.
  • the catalyst under development should ensure the reduction of nitrogen oxides to molecular nitrogen and the oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide.
  • hydrotalcites of the Mg-Al-Co system were selected with the possibility of introducing additional metal ions, such as sodium, vanadium, cerium, and / or ruthenium.
  • the catalyst obtained by the decomposition of hydrotalcites described above is active in the removal of nitrogen oxides at low temperatures and in the presence of oxygen, water vapor, and sulfur oxides, as well as in the oxidation of carbon-containing mixtures at low temperatures.
  • Catalysts can be prepared by coprecipitation of solutions containing magnesium, aluminum and cobalt with an alkali solution for the synthesis of Mg-Al-Co hydrotalcite.
  • a solution containing cobalt, magnesium and aluminum ions was obtained from the soluble salts of Mg (NO 3 ) 2 .6H 2 O, A1 (NO 3 ) 3 .9H 2 O and Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O.
  • concentration of magnesium, aluminum, and cobalt ions, as well as the ratio (Mg + Co) / Al can vary over a wide range without exceeding the solubility limit.
  • the alkaline solution is formed by mixing alkaline hydroxides and carbonates, mainly NaOH and Na 2 CO 3 in adequate concentrations, ensuring complete precipitation of the components of the first solution.
  • the resulting gel was aged from 3 to 20 hours at temperatures in the range of 60-100 ° C. After aging, the resulting material was filtered and washed to obtain a pH in the range of 6.8-7.5. After calcination at temperatures up to 300 ° C, the resulting material was converted to Mg / Al / Co mixed oxides.
  • the catalytic properties of mixed oxides obtained by decomposition of hydrotalcites in the reaction of reduction of nitrogen oxides were carried out at a laboratory bench. The experiments were carried out in a special reactor, which is a quartz tube with a diameter of 22 mm and a length of 530 mm. Catalytic material, weighing 1 gram, in the form of particles with a size of 0.25-0.42 mm, was loaded into the reactor and heated to a temperature of 350 ° C with the passage of nitrogen or hydrogen. At this temperature, the material was aged for 30 minutes. After that, the desired reaction temperature was established and the supply of nitrogen oxides was ensured.
  • the gases supplied were a mixture of 300 million “1 NO, 900 million “ 1 C 3 H 8 , as well as varying amounts of oxygen and nitrogen.
  • the flow rate when the gas mixture was supplied was 650 ml / min.
  • experiments were carried out with the introduction of water in the range of 0-10% and SO 2 in the range of 0-60 ppm . 1.
  • the concentration of nitrogen oxides in the outlet of the reactor was constantly monitored using a chemo-luminescent detector 951 A.
  • the catalytic activity of mixed oxides obtained after decomposition of hydrotalcite in the oxidation reaction of carbon-containing mixtures was determined in a special reactor, which is a quartz tube with a diameter of 22 mm and a length of 530 mm.
  • Catalytic material weighing 1 gram, in the form of particles with a size of 0.25-0.42 mm, was loaded into the reactor and heated to 350 ° C with the passage of nitrogen or hydrogen. At this temperature, the material was aged for 30 minutes. After that, the catalyst was cooled in a stream of nitrogen to 120 ° C.
  • a reaction mixture was supplied, which consisted of a mixture of gases, including 300 million " NO, 900 million " 1 C 3 H 8 and 8% oxygen, the rest was nitrogen.
  • the flow rate when the gas mixture was supplied was 650 ml / min.
  • the gas mixture was heated from a temperature of 120 to 550 ° C at a rate of 5 ° C / min.
  • Propane oxidation was monitored by CO 2 content.
  • Example 1 Preparation of a catalyst based on Mg / Al / Co hydrotalcite with a molar ratio of 65/20/15.
  • Aqueous solutions were prepared: 0.975M solution of magnesium nitrate, 0, 3M solution of aluminum nitrate and 0.225M solution of cobalt nitrate. They mixed when shaken with 3, 3M aqueous NaOH and IM Na 2 CO 3 until pH is obtained
  • the resulting gel was ripened for 12 hours at 60 0 C, then washed and filtered to obtain a pH of 7. Then the material was calcined at 650 ° C for 6 hours. After calcination, the material had a relative free surface of 165 m 2 / g.
  • Example 2 Preparation of a catalyst based on Mg-Al-Co hydrotalcite with a molar ratio of 65/20/15 with Na and V.
  • Example 2 To the catalyst described in Example 1 was added, by impregnation, an IM solution of the vanadium salt and NaOH to obtain 1% vanadium and 6% sodium. Then, the material was dried and calcined at 550 ° C. After calcination, the material had a relative free surface of 55 m 2 / g.
  • Example 3 Catalytic activity in the NOx reduction reaction of the catalyst described in Example 2.
  • the catalyst described in Example 2 was used to remove NOx, as described above, at various temperatures.
  • a 95% conversion of nitrogen oxides was obtained with an experiment duration of 1 hour at temperatures in the range of 100-400 ° C and in the presence of 8% oxygen.
  • Example 4 Catalytic activity in the oxidation reaction of carbon-containing mixtures of the catalyst described in example 1.
  • the catalyst described in example 1 was used to remove carbon-containing mixtures, as described above. It was found that in the presence of this catalyst, propane oxidation occurs at temperatures 120 ° C lower than without catalyst.
  • the hydrotalcite compositions described above were applied to the intermediate layer of aluminum hydroxide on the surface of an aluminum particle (stage 2 of the preparation of a complex precursor) by the deposition method.
  • Example 5 The deposition of a layer of hydrotalcite on an intermediate layer of aluminum hydroxide (gibbsite / boehmite) in the production of a complex precursor. 50 g of aluminum powder with a layer of hydroxide on the surface
  • the resulting suspension was ripened for 24 hours at 80 ° C, then cooled to room temperature, filtered by distilled water, dried at room temperature and milled.
  • a thin layer of hydrotalcite was deposited on the surface of particles with a porous layer based on aluminum hydroxides (Fig. 5).
  • a steel strip made of heat-resistant steel 40 microns thick (Sandvik OC404) was used as a substrate for obtaining a catalytic coating. Spraying was carried out on both sides. When spraying, an APR-403 current source was used, as well as a plasma torch and dispensers of an original design, which provided a highly dispersed and light ceramic powder. The microstructure of the coating surface is presented in Fig.6.
  • the samples were corrugated with a step of 3 mm and rolled up into catalytic blocks with a diameter of 40 mm and a length of 50 mm.
  • the catalytic blocks thus obtained were heat-treated in the temperature range 650-850 0 C to decompose the intermediate hydroxide layer and the surface layer of cobalt hydrotalcite.
  • the heat treatment regime included slow heating (at a speed of no higher than 3 ° C min "1 ), holding for 3 hours in the temperature range 650-850 ° C and slow cooling (at a speed of no higher than 4 0 C min " 1 ) to room temperature .
  • the scheme of the stand is presented, which includes: a steam boiler 1, a gas inlet pipe 2, a gas outlet pipe 3, an EcoLipe 6000 gas analyzer 4, a filter 5, a counter 6, a pump 7, valves 8, a cylindrical furnace 9, and T9- thermocouples
  • Example 6 The manufacturing technology of the catalytic block (option 1).
  • a powder precursor based on the aluminum / gibbsite / cobalt hydrotalcite composition was prepared as follows. Aluminum particles with a dispersion of 60-100 microns were oxidized in a thermostat in the vapor phase at a temperature of 340 ° C and a pressure of 32 MPa for 24 hours, which led to the formation of a porous layer of aluminum hydroxide (gibbsite) with a developed surface on the surface of aluminum particles. Then, in a special installation, aluminum hydrotalcite was precipitated with a cobalt content of about 15%. The obtained powder, after filtration, drying, and grinding, was sprayed by thermal spraying onto OC404 steel tape from two sides. Then the tape was corrugated, rolled into a cylinder (to form a catalytic block) and fixed by sliding it into a thin pipe (G, Fig. 8).
  • Example 7 The manufacturing technology of the catalytic block (option 2). The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that, in the manufacture of the precursor, aluminum fractions of 20-60 microns were used (2 ?, Fig. 8).
  • Example 8 The manufacturing technology of the catalytic block (option S).
  • Example 9 The manufacturing technology of the catalytic block (option 4).
  • Example 10 The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that in the manufacture of the precursor, the oxidation of aluminum in the vapor phase was carried out at a temperature of 240 ° C and a pressure of 32 MPa, which led to the formation of an intermediate layer in the structure of bayerite (4 ', Fig. 8).
  • Example 10 The manufacturing technology of the catalytic block (option 5).
  • Example 11 The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that in the manufacture of the precursor, the oxidation of aluminum in the vapor phase was carried out at a temperature of 300 ° C and a pressure of 32 MPa, which led to the formation of an intermediate layer with a mixed structure of bayerite and boehmite (5 ', Fig. 8).
  • Example 11 The manufacturing technology of the catalytic block (option 6).
  • Example 12 The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that the surface layer of the precursor, namely hydrotalcite, contained, in addition to 15% cobalt, 0.2% cerium (6 ', Fig. 8).
  • Example 12 The manufacturing technology of the catalytic block (option 7).
  • Example 6 The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that the surface layer of the precursor, namely hydrotalcite, contained, in addition to 15% cobalt, 0.1% ruthenium (7 ', Fig. 8).
  • Example 13 The manufacturing technology of the catalytic block (option 8). The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that the surface layer of the precursor, namely hydrotalcite, contained, in addition to 15% cobalt, about 0.1% sodium (8 ', Fig. 8).
  • Fig. 8 presents the test results of samples (catalytic blocks) after various options for their manufacture and heat treatment.

Abstract

The invention relates to methods for producing catalytic coatings by thermally spraying a powder material and can be used in different branches of chemistry, power engineering and in automobile production. The aim of the invention is to obtain a catalytic double-sided coating on a metal strip, which apart from high catalytic properties in nitrogen oxides reducing and hydrocarbon oxidation reactions, exhibit high mechanical and operating properties, namely a high adhesion to a metal substrate and a high resistance to contamination in the atmosphere of sulphur dioxide gases and water vapour. For this purpose, the inventive method for thermally spraying a powder material to a metal strip consists in using a special composite powder which comprises an aluminium metal core, an intermediate aluminium hydroxide layer and a cobalt hydrotalcite coating on a particle surface, which is applied to the intermediate layer. The qualitative and quantitative composition of the composite powder is also disclosed. The inventive catalytic coating is sprayed according to a method consisting in thermally spraying to a metal strip, in mechanically processing said strip and in forming an article.

Description

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ METHOD FOR PRODUCING CATALYTIC COATING
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к способам нанесения покрытия путем напыления материала в расплавленном состоянии и может найти применение в различных отраслях химии, энергетики. Уровень техникиThe invention relates to methods for coating by spraying a material in a molten state and may find application in various fields of chemistry, energy. State of the art
Известны способы нанесения защитных покрытий с использованием композиций на базе соединений алюминия методами газотермического напыления. Наиболее широко в качестве порошкового материала для напыления покрытий на базе алюминия используется оксид алюминия. Как правило, газотермическое напыление керамических покрытий осуществляют на предварительно нанесенный металлический подслой. Для напыления покрытий методами термического напыления используют порошковые материалы в чистом виде и/или их соединения — оксиды, карбиды, нитриды и др. Часто напыляемые порошки представляют собой композиционные материалы, например, никелевые частицы покрытые алюминием, вольфрамом, молибденом.Known methods for applying protective coatings using compositions based on aluminum compounds by methods of thermal spraying. Aluminum oxide is most widely used as a powder material for spraying coatings based on aluminum. As a rule, thermal spraying of ceramic coatings is carried out on a previously applied metal sublayer. Powder materials in pure form and / or their compounds - oxides, carbides, nitrides, etc. are used to spray coatings by thermal spraying methods. Often, sprayed powders are composite materials, for example, nickel particles coated with aluminum, tungsten, molybdenum.
Состав металлического ядра и тонкого слоя покрытия диктуется необходимостью учета множества факторов, в том числе комплекса механических и специальных свойств (прочность сцепления покрытия с подложкой, пористость, коррозионная стойкость, сопротивление эрозии, сопротивление истиранию и износу), а также экономическими факторами (себестоимость производства).The composition of the metal core and the thin coating layer is dictated by the need to take into account many factors, including a set of mechanical and special properties (adhesion strength of the coating to the substrate, porosity, corrosion resistance, erosion resistance, abrasion and wear resistance), as well as economic factors (production cost) .
В процессе термического напыления порошковый материал, как правило, подвергается некоторой трансформации. Это связано с обязательным этапом прохождения порошковых материалов в струе газовой плазмы (при плазменном напылении) или в струе продуктов сгорания (при газопламенном напылении).In the process of thermal spraying, the powder material, as a rule, undergoes some transformation. This is due to the obligatory stage of the passage of powder materials in a jet of gas plasma (with plasma spraying) or in a stream of combustion products (with flame spraying).
В зависимости от температуры газового потока, его протяженности и скорости, частицы напыляемого материала нагреваются до различных температур, что вызывает в частицах трансформации различного рода - от поверхностного нагрева и оплавления до полного расплавления и даже перевода материала в газовуюDepending on the temperature of the gas stream, its length and speed, the particles of the sprayed material are heated to various temperatures, which causes various kinds of transformation in the particles - from surface heating and melting to complete melting and even transfer of the material into gas
, фазу. Выбор оптимального режима напыления часто резко ограничен возможностями оборудования и поэтому выбор и оптимизация напыляемых порошков по химическому и фазовому составу, их структуре и размерам зачастую является важнейшим фактором успешного решения технической задачи, в частности задачи термического напыления каталитических покрытий на металлическую подложку.phase. The choice of the optimal spraying mode is often sharply limited by the capabilities of the equipment and therefore the choice and optimization of the sprayed powders by chemical and phase composition, their structure and size is often the most important factor in successfully solving a technical problem, in particular thermal spraying of catalytic coatings on a metal substrate.
В процессе термического напыления порошковых материалов на металлическую подложку одновременно должны решаться следующие задачи: - обеспечение надежного механического контакта напыляемого слоя с металлической подложкой,In the process of thermal spraying of powder materials onto a metal substrate, the following tasks must be simultaneously solved: - ensuring reliable mechanical contact of the sprayed layer with the metal substrate,
- обеспечение высокой плотности покрытия (надежное перекрытие поверхности)- providing a high density coating (reliable surface overlap)
- обеспечение необходимой субструктуры покрытия. Первая и третья задачи являются полярно противоположными, так как для обеспечения надежного контакта с подложкой желательно полное расплавление частиц при их прохождении в газовой струе - это обеспечивает надежное сцепление покрытия с подложкой, но форма частиц утрачивается и субструктура покрытия изменяется. С целью упрощения технологических проблем, возникающих при термическом напылении, часто процесс проводят в две и более стадии. В этом случае на первой стадии проводят напыление специального тонкого промежуточного слоя (подслоя), который, с одной стороны, обеспечивает надежное сцепление с подложкой, а с другой стороны обеспечивает хорошее сцепление основного слоя, который напыляется на его поверхность.- providing the necessary substructure of the coating. The first and third tasks are polar opposites, since to ensure reliable contact with the substrate, it is desirable to completely melt the particles during their passage in the gas stream - this ensures reliable adhesion of the coating to the substrate, but the shape of the particles is lost and the substructure of the coating changes. In order to simplify the technological problems that arise during thermal spraying, the process is often carried out in two or more stages. In this case, at the first stage, a special thin intermediate layer (sublayer) is sprayed, which, on the one hand, provides reliable adhesion to the substrate, and on the other hand, provides a good adhesion of the main layer, which is sprayed onto its surface.
В качестве материалов для напыления используют порошки, порошковые смеси и специальные композиции из порошков. В качестве таких композиций часто используются порошки с нанесенным на их поверхность покрытием (покрытие может быть многослойным), порошки с присоединенными к их поверхности мелкими частицами другого материала и порошки, объедененные в целые комплексы частиц, связанные друг с другом определенным, упорядоченным образом.As materials for spraying, powders, powder mixtures and special compositions of powders are used. As such compositions, powders are often used with a coating applied to their surface (the coating can be multilayered), powders with small particles of another material attached to their surface, and powders combined into whole complexes of particles connected to each other in a specific, ordered manner.
Известен способ формирования металлических частиц с оксидным покрытием для процесса плазменного напыления (US6582763, Рrосеss fоr рrоduсiпg охidе соаtеd fmе mеtаl раrtiсlеs). Принципиальным отличием от обычного процесса поверхностного окисления является то обстоятельство, что на поверхности металлических частиц формируется тонкий слой оксидов тех металлов, которые не входят в состав металлического ядра. Процесс нанесения оксидного покрытия включает следующие стадии — смешение металлического порошка с оксидным, затем подачу смеси порошков в поток термической плазмы с получением паровой фазы и наконец, резкое охлаждение (закалка) для фиксации оксидного слоя на поверхности частиц.A known method of forming metal particles with an oxide coating for a plasma spraying process (US6582763, Рrеssеs fоrrrоdusіpg okhide soаtеd fme metal rаtсlеs). The fundamental difference from the usual surface oxidation process is the fact that a thin layer of oxides of those metals that are not part of the metal core is formed on the surface of metal particles. The process of applying an oxide coating includes the following stages - mixing a metal powder with an oxide, then feeding the mixture of powders into the thermal plasma stream to obtain a vapor phase; and finally, quenching (hardening) to fix the oxide layer on the surface of the particles.
Известен также способ нанесения покрытий на частицы гидроксида алюминия в форме ламелей с соотношением толщина/длина 1:50 (JP2005089277, Нуdrоtаlсitе соmроuпd раrtiсlе роwdеr апd аquеоus dispersion containing it). Водная суспензия, содержащая титан, цирконий, церий и вольфрам в количестве 0,01-2,5 % используется для осаждения на поверхность частиц гидроксида.There is also a known method of coating aluminum hydroxide particles in the form of lamellas with a ratio of thickness / length of 1:50 (JP2005089277, Wellcoated Composite Roller Apd Auxuus dispersion containing it). An aqueous suspension containing titanium, zirconium, cerium and tungsten in an amount of 0.01-2.5% is used to deposit hydroxide particles on the surface.
Известен способ формирования металлических частиц с неорганическим покрытием (JP2005068508, Меtаl роwdеr соаtеd with iпоrgапiс suреrfmе раrtiсlе апd its рrоduсtiоп mеthоd). Покрытие, которое содержит частицы оксида алюминия, гидроксида алюминия или их комплексных соединений, бора или фосфора, в виде геля осаждается на поверхность металлических порошковых частиц. Окончательное формирование неорганического покрытия происходит при термической обработке порошка с нанесенным покрытием.There is a method of forming metal particles with an inorganic coating (JP2005068508, Metal rover coater with Iporpur superfme rapplic apd its product method). The coating, which contains particles of aluminum oxide, aluminum hydroxide or their complex compounds, boron or phosphorus, in the form of a gel is deposited on the surface of metal powder particles. The final formation of the inorganic coating occurs during the heat treatment of the coated powder.
Известен способ формирования прекурсора (WO2005040309, А mеthоd fоr fоrmiпg а Fishеr-Тrорsсh саtаlуst usiпg а bоеhmitе suрроrt mаtеriаl) путем контакта бемита с каталитической смесью, содержащей необходимые каталитические материалы. Известен также метод формирования сферических частиц каталитического носителя (WO0222263, Саtаlуst апd mеthоd оf mаkiпg miсrоmеtеr sizеd sрhеriсаl раrtiсlеs), который включает пропитку пористого носителя металлами или оксидами металлов с последующим растворением носителя и образованием сферических частиц. Для изготовления порошковых материалов упомянутых выше типов используются различные методы физического и химического осаждения в жидкой и газовой фазе, а также методы механического нанесения покрытий, например, при истирании порошка в аттриторах различного типа и др.There is a known method of forming a precursor (WO2005040309, Method for Formula and Fisher-Torsch uspg and fight Suprt material) by contacting boehmite with a catalytic mixture containing the necessary catalytic materials. There is also a known method for the formation of spherical particles of a catalytic support (WO0222263, Catalust apd method method of microprocessor sizer randomized), which involves impregnation of a porous carrier with metals or metal oxides followed by dissolution of the carrier and the formation of spherical particles. For the manufacture of powder materials of the types mentioned above, various methods of physical and chemical deposition in the liquid and gas phase are used, as well as methods of mechanical coating, for example, when the powder is abraded in attritors of various types, etc.
Известен метод производства порошка с титановым покрытием (RU2178341, Тitапium роwdеr рrоduсtiоп рrосеss), в котором в процессе совместного размола металлического порошка с титановой губкой происходит нанесение тонкого слоя титана на поверхность порошка.A known method for the production of powder with a titanium coating (RU2178341, Titapium roverdrodustiop rocess), in which during the joint grinding of a metal powder with a titanium sponge, a thin layer of titanium is applied to the surface of the powder.
Известен также способ формирования порошка (US5561832, Mеthоd fоr mапufасturiпg vапаdium саrbidе роwdеr аddеd tооl stееl роwdеr bу milliпg рrосеss, апd the method for manufacturing parts thеrеwith) при совместной обработке металлического порошка с карбидом ванадия путем размола.There is also known a method of forming a powder (US5561832, Metod for mapupuripg vapadium sarbide rover addad to stel rover bu milliproppress, apd the method for manufacturing parts therewith) when co-processing a metal powder with vanadium carbide by grinding.
Известен способ формирования порошка для термического напыленияA known method of forming a powder for thermal spraying
(US5530050, Тhеппаl sрrау аbrаdаblе роwdеr fоr vеrу high tеmреrаturе аррliсаtiопs), при котором образование слоя из частиц оксида циркония на поверхности пластичной металлической частицы происходит при их совместном истирании в аттриторе.(US5530050, Theppl sprau arabadable rover for high temperature arrlicatiops), in which the formation of a layer of zirconium particles on the surface of a plastic metal particle occurs when they are jointly abraded in the attritor.
Методы термического напыления обычно применяются для получения покрытий, обеспечивающих повышение механических (повышение твердости поверхности, снижение коэффициента трения и повышение сопротивления износу), физико-химических (повышение сопротивления коррозии в водной и газовой среде, газовой эрозии, повышение сопротивления радиационной стойкости) и специальных (в частности каталитических) свойств.Thermal spraying methods are usually used to obtain coatings that provide mechanical (increase in surface hardness, decrease in friction coefficient and increase in wear resistance), physical and chemical (increase corrosion resistance in water and gas, gas erosion, increase radiation resistance) and special ( in particular catalytic) properties.
При необходимости обеспечения достаточно высоких каталитических свойств покрытия на материале с высокой плотностью (полное отсутствие пор на поверхности), будь то металл или керамика, обычно сталкиваются с весьма специфической проблемой.If it is necessary to ensure sufficiently high catalytic properties of the coating on a material with a high density (complete absence of pores on the surface), whether metal or ceramic, they usually face a very specific problem.
Каталитическая активность материала определяется целым рядом факторов, как химических, так и технологических. К числу технологических факторов, которые определяют степень каталитической активности относится, в частности, степень развитости каталитической поверхности (Fаrrаutо, RJ., Ваrthоlоmеw, C.H., 1997. Fuпdаmепtаls оf Iпdustriаl Саtаlуtiс Рrосеssеδ, 78-86: 122-134). Этим термином описывается параметр, характеризующий суммарную площадь поверхности одного грамма покрытия. В случае обычных покрытиях этот параметр составляет 0,01-0,1 м2/г, тогда как в случае специальных, каталитических покрытий, достигает величин 100-400 м2/г. Такая каталитическая поверхность предоставляет возможность размещения пропорционально большего объема каталитического материала. Поэтому увеличение удельной свободной поверхности при прочих равных условиях пропорционально увеличению каталитической активности покрытия. Специфической проблемой, которая должна быть решена при термическом напылении каталитических покрытий, является необходимость обеспечения высокой удельной поверхности. Одним из вариантов решения этой проблемы может быть увеличение пористости покрытия в процессе напыления. Высокая пористость покрытия для обычных покрытий нежелательна, так как она вызывает ухудшение прочности сцепления с подложкой, а также снижение физико-химических характеристик покрытия. В ряде случаев, например в случае антикоррозионного покрытия, высокая пористость абсолютно недопустима, так как она приводит к образованию язв и свищей в покрытии при эксплуатации изделий в коррозионной среде, а иногда - к катастрофическим последствиям.The catalytic activity of a material is determined by a number of factors, both chemical and technological. Among the technological factors that determine the degree of catalytic activity is, in particular, the degree of development of the catalytic surface (Farrauto, RJ., Vartholom, CH, 1997. Pharmaceuticals Industrial Technologies Рrеssеsδ, 78-86: 122-134). This term describes a parameter characterizing the total surface area of one gram of coating. In the case of conventional coatings, this parameter is 0.01-0.1 m 2 / g, while in the case of special, catalytic coatings, it reaches 100-400 m 2 / g. Such a catalytic surface allows the placement of a proportionally larger volume of catalytic material. Therefore, the increase in the specific free surface, ceteris paribus, is proportional to the increase in the catalytic activity of the coating. A specific problem that must be solved by thermal spraying of catalytic coatings is the need to ensure a high specific surface. One of the solutions to this problem may be to increase the porosity of the coating during the spraying process. High porosity of the coating for conventional coatings is undesirable, as it causes deterioration adhesion to the substrate, as well as a decrease in the physicochemical characteristics of the coating. In some cases, for example, in the case of an anti-corrosion coating, high porosity is absolutely unacceptable, since it leads to the formation of ulcers and fistulas in the coating during the operation of products in a corrosive environment, and sometimes to catastrophic consequences.
В случае каталитических покрытий снижение прочности сцепления напыленного слоя с подложкой также нежелательно, так как каталитические материалы и изделия с каталитическим покрытием часто подвергаются довольно жестким условиям эксплуатации, сопровождающимися интенсивной газовой эрозией, жесткими термическими циклами и т.д.In the case of catalytic coatings, a decrease in the adhesion strength of the sprayed layer to the substrate is also undesirable, since catalytic materials and products with a catalytic coating are often subjected to rather harsh operating conditions, accompanied by intense gas erosion, severe thermal cycles, etc.
С другой стороны, увеличение пористости покрытия ограничено специфическими условиями процесса термического напыления и реально достижимо повышение пористости лишь до величин порядка 4-5 %. С учетом скрытой пористости (пор внутри покрытия, не имеющих выхода на поверхность) увеличения свободной поверхности практически не происходит и данный путь, с нашей точки зрения, является абсолютно безперспективным.On the other hand, an increase in the porosity of the coating is limited by the specific conditions of the thermal spraying process, and an increase in porosity is only achievable only up to values of about 4-5%. Taking into account the latent porosity (pores inside the coating that do not have access to the surface), an increase in the free surface practically does not occur and this way, from our point of view, is absolutely hopeless.
Существует и другая концепция получения каталитического покрытия с развитой поверхностью путем термического напыления. В этом случае напыляемые порошковые материалы представляют собой смесь порошков, включающую каталитические материалы (оксиды металлов), гидроксиды алюминия, в частности, гиббсит и бемит, обеспечивающие развитие свободной поверхности покрытия в процессе и/или после напыления и металл-связку, как правило, алюминий, который обеспечивает сцепление напыляемых частиц друг с другом и с подложкой.There is another concept for producing a catalytic coating with a developed surface by thermal spraying. In this case, the sprayed powder materials are a mixture of powders, including catalytic materials (metal oxides), aluminum hydroxides, in particular gibbsite and boehmite, which ensure the development of the free surface of the coating during and / or after spraying and a metal binder, usually aluminum which provides adhesion of the sprayed particles to each other and to the substrate.
В качестве примера предлагается способ формирования каталитического покрытия (RU2126717C1, Способ изготовления каталитического блока для нейтрализации газовых выбросов), при котором на поверхность металлической ленты с высоким электросопротивлением методом плазменного напыления наносят порошковую смесь, состоящую из алюминия - 0,5-5 % и гидроксида алюминия с естественными сопутствующими примесями. В качестве плазмообразующего газа используют воздух или иную кислородосодержащую смесь. В процессе напыления предлагается поддерживать регламентируемые энергетические режимы, обеспечивающие, с одной стороны, расплавление частиц алюминия, но исключающие термическое разложение гидроксида алюминия. Указанный прием позволяет получить на поверхности металлического ленточного носителя тонкий композиционный слой с высокой адгезионной прочностью. Высокая прочность сцепления обеспечивается за счет того, что в процессе напыления в результате сепарации порошков в плазменной струе на поверхности ленты образуется подслой из алюминия, на котором формируется основной слой из гидроксида алюминия. 5 Подслой из алюминия характеризуется высокой адгезией за счет протекания процессов нестационарной диффузии на подложке непосредственно в процессе напыления.As an example, a method for forming a catalytic coating is proposed (RU2126717C1, A method for manufacturing a catalytic unit for neutralizing gas emissions), in which a powder mixture consisting of aluminum - 0.5-5% and aluminum hydroxide is applied to the surface of a metal strip with high electrical resistance by plasma spraying with natural accompanying impurities. As a plasma-forming gas, air or another oxygen-containing mixture is used. In the process of spraying, it is proposed to maintain regulated energy regimes that ensure, on the one hand, the melting of aluminum particles, but excluding the thermal decomposition of aluminum hydroxide. The specified method allows you to get on the surface of a metal tape carrier thin composite layer with high adhesive strength. High adhesion strength is ensured due to the fact that during the spraying process as a result of the separation of powders in a plasma jet, an aluminum sublayer is formed on the surface of the tape, on which the main layer of aluminum hydroxide is formed. 5 The aluminum sublayer is characterized by high adhesion due to unsteady diffusion on the substrate directly during the deposition process.
Авторы ссылаются на пример применения указанного способа, при котором для совместного напыления использовали порошки алюминия дисперсностью менееThe authors refer to an example of the application of this method, in which aluminum powders with a fineness of less than
10 40 микрон и гидроксида алюминия (гиббсита) дисперсностью менее 10 микрон. При этом гидроксид алюминия (гиббсит) не требует химической очистки, а используется с естественными (технологическими) примесями - натрий, калий, кальций, кремний и др. - которые являются в данном случае термостабилизирующими элементами и обеспечивают дополнительное повышение термической стабильности10 40 microns and aluminum hydroxide (gibbsite) dispersion less than 10 microns. At the same time, aluminum hydroxide (gibbsite) does not require chemical treatment, but is used with natural (technological) impurities - sodium, potassium, calcium, silicon, etc. - which are in this case thermostabilizing elements and provide an additional increase in thermal stability
15 каталитического покрытия.15 catalytic coating.
Известен способ изготовления композиционного покрытия (RU97101513A, Способ изготовления композиционного покрытия), при котором на исходную подложку методом плазменного напыления наносят пористое покрытие, включающее оксид металла и металл-связку. В качестве исходного материала дляA known method of manufacturing a composite coating (RU97101513A, a Method of manufacturing a composite coating), in which a porous coating comprising a metal oxide and a metal binder is applied to the initial substrate by plasma spraying. As starting material for
20 плазменного напыления используют смесь порошков, включающую оксид алюминия и/или титана, алюминий в качестве металла связки и дополнительно гидроксид алюминия и/или титана.20 plasma spraying use a mixture of powders, including aluminum oxide and / or titanium, aluminum as a metal binder and additionally aluminum hydroxide and / or titanium.
Предлагаются также аналогичные способы получения каталитического покрытия на базе гидратированного оксида титана (US2001014648, Саtаlуst fоrmеdSimilar methods are also proposed for preparing a catalytic coating based on hydrated titanium oxide (US2001014648, Catalust formed
25 bу sрrауiпg а titапium hуdrохidе mаtеriаl, US6228801, Рrосеss fоr рrоduсiпg а саtаlуst, KR2000022062, Саtаlуtiс сопvеrtеr апd mеthоd fоr mапufасturiпg саtаlуtiс сопvеrtеr) при которых упомянутый гидроксид (в виде метагидроксида титана) методом термического наносится на подложку, по преимуществу сохраняя свою структуру. Окончательное формирование каталитического покрытия с развитой поверхностью25 bu srrauipg and titapium hudrohide material, US6228801, Rrosess for rrodusipg and satalust, KR2000022062, Satalutis sopverter apd method for mapufasturipg satalutis sopverter) in which said hydroxide (in the form of titanium metahydroxide) by thermal deposited on a substrate, primarily retaining its structure. The final formation of a catalytic coating with a developed surface
30 на основе оксидов титана осуществляется в процессе термического разложения упомянутого гидроксида титана с образованием оксида титана в модификации, по преимуществу, анатаза.30 based on titanium oxides is carried out in the process of thermal decomposition of said titanium hydroxide with the formation of titanium oxide in the modification, mainly anatase.
В качестве одного из вариантов покрытия предлагается термическое напыление смеси порошков метагидроксида титана и гидроксида алюминия с последующим получением, после разложения напыленного слоя, смеси оксида титана (в модификации анатаза) и оксида алюминия гамма-модификации. Величина удельной свободной поверхности после разложения напыленного слоя составляет 50-70 м2/г покрытия. Известен способ нанесения пористого покрытия на металлические и керамические материалы плазменным напылением (US6254938B1, Sрrауiпg mеthоd fоr аррlуiпg а роrоus соаtiпg tо substrаtе). При этом используется порошковая смесь, которая включает гидроксид алюминия, оксид алюминия и/или титана, порошок стекла, как формирующий микроструктуру компонент, порошок металлического алюминия и/или титана в качестве металла-связки. В процессе плазменного напыления различные компоненты напыляемого порошка вводятся в различные зоны потока плазмы. Так, например, гидроксид алюминия вводится в более холодную зону потока, а металлы - алюминий и титан - в более горячую. Получаемое покрытие, по сведениям авторов, характеризуется высокой адгезией к металлической подложке и высокой пористостью.As one of the coating options, thermal spraying of a mixture of powders of titanium metahydroxide and aluminum hydroxide with subsequent receipt, after decomposition of the sprayed layer, a mixture of titanium oxide (in the modification of anatase) and alumina gamma modification. The value of the specific free surface after decomposition of the sprayed layer is 50-70 m 2 / g of coating. A known method of applying a porous coating to metal and ceramic materials by plasma spraying (US6254938B1, Sprauipg metod for arrluipg and porous coatigot substitute). In this case, a powder mixture is used, which includes aluminum hydroxide, aluminum oxide and / or titanium, glass powder, as a component forming a microstructure, aluminum metal powder and / or titanium as a metal binder. During plasma spraying, various components of the sprayed powder are introduced into different areas of the plasma flow. So, for example, aluminum hydroxide is introduced into the colder zone of the stream, and metals - aluminum and titanium - into the hotter one. The resulting coating, according to the authors, is characterized by high adhesion to the metal substrate and high porosity.
Как показывают исследования в области термического напыления каталитических покрытий с развитой поверхностью, для успешного решения этих задач необходимо формирование промежуточного слоя, который должен обеспечить прочное сцепление с поверхностью металлической ленты с одной стороны и каталитическим покрытием, которое будет наноситься на данный промежуточный слой, с другой.As studies in the field of thermal spraying of catalytic coatings with a developed surface show, to successfully solve these problems, it is necessary to form an intermediate layer, which should provide strong adhesion to the surface of the metal strip on the one hand and the catalytic coating that will be applied to this intermediate layer on the other.
Для решения этих двух задач одновременно, промежуточный слой (подслой) должен, во-первых, обладать коэффициентом термического расширения (к.т.р) максимально близким к к.т.р подложки, и, во-вторых, быть максимально интегрированным в структуру подложки, т.е. атомы материала покрытия должны образовывать металлические связи с атомами материала подложки. Если первое условие может быть достаточно легко выполнено подбором материала промежуточного слоя с к.т.р максимально близким к.т.р подложки, то условие высокой степени интеграции выполняется лишь при условии образования соединений типа сплавов на границе между подслоем и подложкой.To solve these two problems at the same time, the intermediate layer (sublayer) must, firstly, have a thermal expansion coefficient (ctr) as close to the ctp of the substrate, and, secondly, be as integrated as possible into the structure substrates, i.e. atoms of the coating material should form metallic bonds with atoms of the substrate material. If the first condition can be quite easily satisfied by selecting the material of the intermediate layer with a c.t.p. as close as possible to the c.t.
При плазменном напылении подобные условия можно реализовать лишь в условиях высокотемпературного отжига после напыления, причем интервал температур при отжиге должен обеспечивать эффективную взаимную диффузию атомов материала подслоя и подложки. Так как эти температуры достаточно высоки, то обычно наблюдается значительная деградация самого покрытия, которая выражается в аномальном росте зерна, высокой ликвации примесей и в окислении зерна по его границам. Проведение такого высокотемпературного отжига является нежелательным по вышеперечисленным причинам. Для обеспечения надежного сцепления подслоя с наносимым на его поверхность покрытием он должен обладать высокоразвитой поверхностью - относительная свободная поверхность в этом случае должна быть не менее 10 м2/г (это значит, что один грамм покрытия должен иметь суммарную поверхность 10 квадратных метров), что должно обеспечить высокую адгезию напыляемого покрытия. Однако пересчет максимальной открытой пористости, установленной для промежуточных слоев, напыляемых обычным образом, на величину относительной свободной поверхности показывает, что последняя в данном случае не превышает величины порядка 1-2 м2/г, что явно недостаточно.In plasma sputtering, such conditions can be realized only under conditions of high-temperature annealing after sputtering, and the temperature range during annealing should provide effective mutual diffusion of atoms of the material of the sublayer and the substrate. Since these temperatures are quite high, then usually there is a significant degradation of the coating itself, which is expressed in abnormal grain growth, high segregation of impurities and in the oxidation of grain along its boundaries. Carrying out such high-temperature annealing is undesirable for the above reasons. To ensure reliable adhesion of the sublayer with the coating applied to its surface, it must have a highly developed surface - the relative free surface in this case should be at least 10 m 2 / g (this means that one gram of the coating must have a total surface of 10 square meters), which should provide high adhesion of the sprayed coating. However, recalculation of the maximum open porosity established for the intermediate layers sprayed in the usual way by the value of the relative free surface shows that the latter in this case does not exceed a value of the order of 1-2 m 2 / g, which is clearly not enough.
Таким образом, для получения пористого покрытия с высокой прочностью сцепления, напыляемый слой должен быть плотным (со стороны, примыкающей к подложке), что должно обеспечить высокую прочность сцепления с подложкой, и, следовательно, высокие термомеханические характеристики покрытия, и, в то же время, напыляемый слой должен быть высокопористым (на его поверхности) для обеспечения специальных, в том числе каталитических свойств. Это противоречие разрешается за счет специфического химического состава напыляемых порошков и оригинальной технологии их напыления.Thus, to obtain a porous coating with high adhesion strength, the sprayed layer must be dense (on the side adjacent to the substrate), which should provide high adhesion to the substrate, and, therefore, high thermomechanical characteristics of the coating, and, at the same time , the sprayed layer must be highly porous (on its surface) to ensure special, including catalytic, properties. This contradiction is resolved due to the specific chemical composition of the sprayed powders and the original technology of their spraying.
Для упрощения рассмотрим схему напыления трехкомпонентной порошковой смеси, состоящей из порошка гидроксида алюминия, порошка силикатного стекла и порошка алюминия (US6254938B1, Sрrауiпg mеthоd fоr аррlуiпg а роrоus соаtiпg tо substrаtе). В этой модельной композиции металлический алюминий выполняет, во- первых, роль металлического подслоя, обеспечивающего высокую прочность сцепления напыляемого слоя с подложкой, и, во-вторых, роль металлической связки для закрепления частиц пористой поверхности напыляемого слоя. Порошок силикатного стекла обеспечивает развитие макроструктуры напыляемого покрытия. При напылении порошка силикатного стекла обеспечивается, по данным авторов, частичное оплавление частиц с поверхности для надежного сцепления, с одной стороны, с напыляемым алюминием и, с другой стороны, с порошком гидроксида алюминия, который осаждается на поверхности композиционного слоя, сформированного из расплавленного алюминия и частиц стекла. Порошок гидроксида алюминия выполняет роль вещества, обеспечивающего получение керамического покрытия на базе оксида алюминия с высокоразвитой пористой поверхностью (т.е. обеспечивает развитие микроструктуры покрытия). Эта задача может быть реализована при термическом разложении гидроксида алюминия (520- 600 0C) за счет протекания следующей реакции: 2Al(OH)3 = Al2O3 + 2H2O (1)To simplify, consider the spraying scheme of a three-component powder mixture consisting of aluminum hydroxide powder, silicate glass powder and aluminum powder (US6254938B1, Srааупg method for fоrррlуiпг а ророус соатипг то substitute). In this model composition, metal aluminum performs, firstly, the role of the metal sublayer, providing high adhesion strength of the sprayed layer to the substrate, and, secondly, the role of the metal bond to fix the particles of the porous surface of the sprayed layer. Silicate glass powder provides the development of the macrostructure of the sprayed coating. When spraying silicate glass powder, according to the authors, partial melting of particles from the surface is ensured for reliable adhesion, on the one hand, with sprayed aluminum and, on the other hand, with aluminum hydroxide powder, which is deposited on the surface of a composite layer formed from molten aluminum and particles of glass. Powder aluminum hydroxide plays the role of a substance that provides a ceramic coating based on aluminum oxide with a highly developed porous surface (i.e., provides the development of the coating microstructure). This problem can be achieved by thermal decomposition of aluminum hydroxide (520-600 0 C) due to the following reaction: 2Al (OH) 3 = Al 2 O 3 + 2H 2 O (1)
Однако, для получения пористого покрытия, необходимо, чтобы реакция термического разложения гидроксида алюминия протекала уже в на поверхности напыленного слоя и частицы гидроксида были жестко зафиксированы в слое. Это может быть достигнуто только в случае, когда в процессе плазменного напыления удается избежать диссоциации частиц гидроксида в струе плазмы (которая имеет температуру 5000 - 8000 0C). При этом, для повышения сродства с алюминием, необходимо обеспечить частичное оплавление частиц гидроксида с поверхности.However, to obtain a porous coating, it is necessary that the thermal decomposition of aluminum hydroxide proceeds already on the surface of the sprayed layer and the hydroxide particles are rigidly fixed in the layer. This can only be achieved if, during the plasma spraying process, it is possible to avoid the dissociation of hydroxide particles in the plasma jet (which has a temperature of 5000-8000 0 C). In this case, in order to increase the affinity for aluminum, it is necessary to provide a partial melting of hydroxide particles from the surface.
Таким образом, в процессе плазменного напыления модельной композиции, при прохождении частиц порошка через струю плазмы, одновременно обеспечивается расплавление частиц металлического алюминия, частичное оплавление с поверхности частиц стекла и предотвращение полного термического разложения частиц гидроксида алюминия. Это достигается за счет подачи порошков в различные зоны плазменной струи - гидроксид алюминия подается в более холодную зону, металлический алюминий — более горячую зону. Кроме того, в процессе напыления обеспечивается приоритетное прохождение частиц алюминия к поверхности подложки с целью обеспечения прочного сцепления напыляемого слоя с подложкой. Это достигается подбором фракционного состава напыляемых порошков. Так, например, частицы алюминия и силикатного стекла обладают по преимуществу большой массой, и, следовательно, приобретают большую скорость при прохождении в плазменной струе, что в свою очередь, обеспечивает их преимущественное прохождение к поверхности напыляемой подложки.Thus, in the process of plasma spraying of the model composition, when the particles of the powder pass through the plasma jet, the melting of aluminum metal particles, partial melting from the surface of the glass particles, and prevention of complete thermal decomposition of aluminum hydroxide particles are simultaneously ensured. This is achieved by supplying powders to various areas of the plasma jet - aluminum hydroxide is supplied to the colder zone, aluminum metal to the hotter zone. In addition, during the spraying process, priority is given to the passage of aluminum particles to the surface of the substrate in order to ensure strong adhesion of the sprayed layer to the substrate. This is achieved by selecting the fractional composition of the sprayed powders. Thus, for example, aluminum and silicate glass particles have a predominantly large mass, and therefore acquire a high velocity when passing through a plasma jet, which in turn ensures their predominant passage to the surface of the sprayed substrate.
Таким образом, в процессе напыления формируется композиционный слой, состоящий из алюминия, расплавленного в плазменной струе и образовавшего пластичный подслой на поверхности подложки. В этот слой внедрены частицы стекла, частично оплавленные с поверхности, что обеспечивает их прочное сцепление со слоем. И, наконец, в поверхность этого слоя внедрены частицы гидроксида алюминия, не разложившегося в процессе прохождения в струе плазмы. Полученное таким образом композиционное покрытие не является окончательным продуктом, так как, во-первых, оно не является пористым, а во- вторых, его поверхность по фазовому составу не соответствует требованиям, предъявляемым к специальным покрытиям (так, например, для использования покрытия в катализе на его поверхности по преимуществу должны быть оксиды алюминия гамма- и тэта-модификации) и, в третьих, остаточные термические напряжения (результат собственно процесса плазменного напыления) достаточно высоки. Получение необходимых физико-химических свойств напыленного композиционного покрытия достигается за счет проведения термической обработки в окислительной среде, преимущественно на воздухе. При разложении гидроксида алюминия в интервале температур 480-660 °C в ходе термической обработки происходит образование оксида алюминия с высокоразвитой микропористой поверхностью в соответствии с реакцией (1).Thus, during the deposition process, a composite layer is formed, consisting of aluminum, melted in a plasma jet and forming a plastic sublayer on the surface of the substrate. Glass particles partially melted from the surface are embedded in this layer, which ensures their strong adhesion to the layer. And finally, particles of aluminum hydroxide, which did not decompose during passage through the plasma jet, were introduced into the surface of this layer. The composite coating obtained in this way is not the final product, because, firstly, it is not porous, and secondly, its phase composition does not meet the requirements for special coatings (for example, for using the coating in catalysis gamma and theta modifications of aluminum oxides should be predominantly on its surface) and, thirdly, the residual thermal stresses (the result of the plasma spraying process itself) are quite high. Obtaining the necessary physical and chemical properties of the sprayed composite coating is achieved by conducting heat treatment in an oxidizing environment, mainly in air. During the decomposition of aluminum hydroxide in the temperature range 480-660 ° C during the heat treatment, the formation of aluminum oxide with a highly developed microporous surface occurs in accordance with reaction (1).
Таким образом, процесс термической обработки напыленного композиционного слоя в окислительной среде обеспечивает, по сведениям авторов, получение на поверхности необходимого химического и фазового состава с одновременным формированием специфической макро- и микроструктуры поверхностного слоя.Thus, the process of heat treatment of the sprayed composite layer in an oxidizing medium provides, according to the authors, the preparation of the necessary chemical and phase composition on the surface with the simultaneous formation of a specific macro- and microstructure of the surface layer.
Подробно описанный выше способ термического напыления применительно к получению каталитических покрытий имеет ряд существенных недостатков, главным из которых является проблема предотвращения термического разложения гидроксида алюминия при прохождении его в струе плазмы.The method of thermal spraying described in detail above for the preparation of catalytic coatings has a number of significant drawbacks, the main of which is the problem of preventing thermal decomposition of aluminum hydroxide during its passage in a plasma jet.
Предлагаемые авторами средства для предотвращения термического разложения гидроксида алюминия в процессе термического напыления сводятся к раздельному введению порошков алюминия и гидроксида алюминия в различные зоны плазменной струи, причем гидроксид вводится в более холодную зону. Это действительно должно снижать риск частичного или полного разложения гидроксида, однако это уменьшает величину пути частиц гидроксида в потоке плазмы и, следовательно, понижает скорость частиц, что, в свою очередь ведет к повышению вероятности разложения частиц в процессе напыления. В том случае, когда более холодная зона плазменной струи будет определена, любое изменение массы частиц, давления воздуха в плазмотроне или небольшое изменение электрических параметров источника в процессе напыления будет приводить к изменению траектории частиц, и, следовательно, либо к разложению частиц в процессе напыления, либо к их недогреву - в этом случае они просто не будут сцепляться с подложкой.The means proposed by the authors to prevent the thermal decomposition of aluminum hydroxide during thermal spraying are reduced to the separate introduction of aluminum and aluminum hydroxide powders into different zones of the plasma jet, the hydroxide being introduced into the colder zone. This should really reduce the risk of partial or complete decomposition of the hydroxide, however, this reduces the path size of the hydroxide particles in the plasma stream and, therefore, reduces the speed of the particles, which in turn leads to an increase in the probability of decomposition of the particles during the deposition process. In the event that the colder zone of the plasma jet is determined, any change in the mass of particles, air pressure in the plasmatron, or a small change in the electrical parameters of the source during the deposition process will lead to a change in the trajectory of the particles, and, therefore, to decomposition of particles in the process of spraying, or to their underheating - in this case, they simply will not adhere to the substrate.
Поэтому представляется разумным использовать для термического напыления комплексные порошковые материалы, структурно объединенные в объеме одной частицы. В этом случае могут быть одновременно решены многие задачи, которые представляют серьезные или даже неразрешимые проблемы при напылении смесевых порошковых композиций. В частности, в этом случае может быть решена проблема защиты поверхности частиц путем нанесения специального покрытия тугоплавкого и жаростойкого металла или сплава, а также проблема повышения адгезии покрытия за счет увеличения массы частиц (увеличение кинетической энергии) и специальных покрытий различного типа, повышающих прочность сцепления напыленного слоя.Therefore, it seems reasonable to use complex powder materials structurally combined in the volume of one particle for thermal spraying. In this case, many problems that pose serious or even insoluble problems when spraying mixed powder compositions can be simultaneously solved. In particular, in this case, the problem of protecting the surface of the particles by applying a special coating of refractory and heat-resistant metal or alloy can be solved, as well as the problem of increasing the adhesion of the coating by increasing the mass of the particles (increasing kinetic energy) and special coatings of various types that increase the adhesion strength of the sprayed layer.
Следующим этапом в развитии процесса термического напыления каталитических покрытий является разработка комплексных порошковых материалов, которые в катализе носят название прекурсоров. Под прекурсором обычно понимается вещество, которое содержит необходимые каталитические материалы и, после его нанесения на поверхность носителя, может быть преобразовано, после ряда процедур, в катализатор (Fаrrаutо, RJ., Ваrthоlопiеw, C.H., 1997, Fuпdаmепtаls оf Iпdustriаl Саtаlуtiс Рrосеssеs). В качестве таких процедур может использоваться нагрев, облучение или другая активация поверхности каталитического покрытия.The next step in the development of the thermal spraying of catalytic coatings is the development of complex powder materials, which in the catalysis are called precursors. A precursor is usually understood as a substance that contains the necessary catalytic materials and, after its application to the surface of the carrier, can be converted, after a series of procedures, into a catalyst (Farutauto, RJ., Pharmaceutical, C.H., 1997, Industrial Chemical Industrial Chemicals). As such procedures, heating, irradiation or other activation of the surface of the catalytic coating can be used.
Использование комплексных порошковых материалов в роли прекурсоров позволяет также разрешить ряд специфических проблем, связанных с напылением катализаторов. Рассмотрим в качестве примера вариант напыления с использованием смесевой композиции, состоящей из металлического алюминия, оксида и гидроксидов алюминия. Предлагаемый процесс позволяет получить каталитическое покрытие, характеризующееся относительно высокой свободной поверхностью (50- 70 м2/г) и статистически равномерным распределением частиц катализатора. Однако оптимальная работа катализатора возможна лишь в том случае, когда каталитические частицы находятся на поверхности специального каталитического носителя, роль которого выполняют оксиды алюминия гамма- и тэта-модификации, а также гидроксид алюминия в виде гиббсита и/или бемита. При этом каталитическая активность катализатора тем выше, чем выше степень развитости поверхности. В описанном выше случае, при нанесении порошковой смесевой композиции, процесс термического напыления строится таким образом, что гидроксид алюминия наносится на поверхность изделия в неразложенном, или частично разложенном состоянии. Последующая термическая обработка приводит к термическому разложению гидроксида и сильному увеличению свободной поверхности. Однако увеличение свободной поверхности не приводит к миграции и перераспределению частиц катализатора на поверхности каталитического носителя (см. фиг.l).The use of complex powder materials as precursors can also solve a number of specific problems associated with the deposition of catalysts. Consider, as an example, a spraying option using a mixed composition consisting of aluminum metal, aluminum oxide and hydroxides. The proposed process allows to obtain a catalytic coating characterized by a relatively high free surface (50-70 m 2 / g) and a statistically uniform distribution of catalyst particles. However, the optimal operation of the catalyst is possible only when the catalytic particles are on the surface of a special catalytic carrier, the role of which is played by gamma and theta alumina, as well as aluminum hydroxide in the form of gibbsite and / or boehmite. Moreover, the catalytic activity of the catalyst is higher, the higher the degree of development surface. In the case described above, when applying the powder mixture composition, the thermal spraying process is constructed in such a way that aluminum hydroxide is applied to the surface of the product in an undecomposed or partially decomposed state. Subsequent heat treatment leads to thermal decomposition of the hydroxide and a strong increase in the free surface. However, an increase in the free surface does not lead to migration and redistribution of catalyst particles on the surface of the catalytic carrier (see Fig. L).
Частица катализатора жестко зафиксирована в напыленном слое после термического напыления и ее положение не изменяется в процессе разложения гидроксида алюминия. Поэтому увеличеие свободной поверхности не сопровождается пропорциональным ростом каталитической активности.The catalyst particle is rigidly fixed in the sprayed layer after thermal spraying and its position does not change during the decomposition of aluminum hydroxide. Therefore, an increase in the free surface is not accompanied by a proportional increase in catalytic activity.
Резкое повышение уровня каталитической активности возможно лишь в том случае, когда для процесса термического напыления используется специальный прекурсор. Такое решение предлагается в патенте (EP1449581, Саtаlуst fоr stеаm rеfоimiпg сопtаiпеd пiсkеl, mаgпеsium апd аlumiпium, рrосеss fоr рrоduсiпg thе саtаlуst, апd thе рrосеss fоr рrоduсiпg hуdrоgеп usiпg thе саtаlуst), где способ формирования прекурсора включает прокаливание композиционных частиц гидроксида алюминия, состоящих из ядра — частицы гидроксида и композиционного гидроксидного слоя на поверхности упомянутого ядра, содержащего магний, никель и алюминий, и последующее восстановление при нагреве. При восстановлении, по сведениям авторов, происходит перераспределение восстановленных частиц никеля в объеме частиц с преимущественным их размещением на поверхности пористых оксидных частиц, что обеспечивает высокие каталитические свойства. Предлагается также способ формирования прекурсора для последующего получения катализатора (US2004/0127587A1, Меthоd fоr fоrmiпg а Fishеr-Тrорsсh саtаlуst usiпg а bоеhmitе suрроrt mаtеriаl), в котором в качестве порошка-носителя для катализатора используется порошок бемита (одна из промежуточных форм при трансформации гидроксида алюминия при нагреве). Образование бемита происходит при нагреве гиббсита в диапазоне температур 170-180 °C и сопровождается повышением его пористости. Формирование прекурсора происходит при пропитке бемита, который имеет определенный размер кристаллитов, а именно, в диапазоне 4- 30 нанометров. В качестве растворов для образования покрытия используются водные растворы солей и органических растворителей. Предлагается также способ формирования прекурсора (EP 1462475 Al, Mg-Zn-A sharp increase in the level of catalytic activity is possible only when a special precursor is used for the thermal spraying process. Such a solution is proposed in the patent (EP1449581, Satalust for steam refoimipg soptaiped piskel, magpesium apd alumipium, rrosess for rrodusipg the satalust, apd the rrosess for rrodusipg hudrogep usipg the satalust), wherein the method of forming the precursor comprises calcining the composite particles of aluminum hydroxide, consisting of a core - particles of a hydroxide and a composite hydroxide layer on the surface of said core containing magnesium, nickel and aluminum, and subsequent reduction by heating. During recovery, according to the authors, a redistribution of the reduced nickel particles in the volume of the particles occurs with their predominant placement on the surface of porous oxide particles, which ensures high catalytic properties. There is also proposed a method of forming a precursor for the subsequent preparation of a catalyst (US2004 / 0127587A1, Method for Formation and Fisher-Uspag and battle-in-material), in which aluminum powder is used as a carrier powder for the catalyst (one of boehmite transforming aluminum powder (one of when heated). The formation of boehmite occurs when Gibbsite is heated in the temperature range of 170-180 ° C and is accompanied by an increase in its porosity. The formation of the precursor occurs upon impregnation of boehmite, which has a certain crystallite size, namely, in the range of 4-30 nanometers. As solutions for coating formation, aqueous solutions of salts and organic solvents are used. A method for forming a precursor (EP 1462475 Al, Mg-Zn-
Al bаsеd hуdгоtаlсitе-tуре раrtiсlеs and resin composition containing thе sаmе), при котором композиционный Mg-Zn-Al слой формируется на поверхности ядра, состоящего из Mg-Al гидротальцита. Размер частиц прекурсора составляет 0,1-1,0 микрон.Albased bakedite-resin and resin composition containing theme), in which the composite Mg-Zn-Al layer is formed on the surface of the core, consisting of Mg-Al hydrotalcite. The particle size of the precursor is 0.1-1.0 microns.
Предлагается также способ призводства прекурсора (JP2004255245, Нуdrосаrbоп dесоmроsiпg саtаlуst, mеthоd fоr mапufасturiпg thе sаmе апd mеthоd fоr рrоduсiпg hуdrоgеп bу usiпg thе sаmе), который включает ядро, состоящее из гидротальцита алюминий-магний и композиционное покрытие на поверхности данного ядра, состоящее из гидротальцита алюминий-магний-никель. Данный прекурсор подвергается термической обработке в востановительной среде, где происходит восстановление оксида никеля до никеля и обеспечивается его равномерное размещение на поверхности частиц.A method for producing a precursor is also proposed (JP2004255245, the Wellbearing method, the method of the method, the method consists of the aluminum, the surface is the hydrothermal method, which includes the aluminum surface and magnesium nickel. This precursor is subjected to heat treatment in a reducing medium, where nickel oxide is reduced to nickel and its uniform distribution on the particle surface is ensured.
Известен способ изготовления композиционного покрытия (WO2004079035, Mеthоd fоr рrоduсiпg а соmроsitе соаtiпg) при плазменном напылении. Композиционное покрытие, полученное в соответствии с данным способом, можно использовать в качестве подложки для нанесения различных покрытий, например, полимерных, а также пропитки различными составами, в том числе каталитическими. Предложенный способ заключается в том, что в напыляемый порошок, обеспечивающий развитие микроструктуры покрытия, вводят композиционный порошок с покрытием типа гидротальцита (композиционный прекурсор). Покрытие указанного состава напыляют на металлическую или керамическую подложку, затем проводят механическую обработку и термическую обработку путем отжига. Целью описанного выше изобретения является получение каталитического покрытия, обладающего повышенными характеристиками, а именно, прочностью сцепления покрытия с подложкой и высокой свободной поверхностью.A known method for the manufacture of composite coatings (WO2004079035, Method for production and co-production) with plasma spraying. The composite coating obtained in accordance with this method can be used as a substrate for applying various coatings, for example, polymer, as well as impregnation with various compositions, including catalytic ones. The proposed method consists in the fact that in the sprayed powder, providing the development of the microstructure of the coating, enter the composite powder with a coating of the type hydrotalcite (composite precursor). A coating of this composition is sprayed onto a metal or ceramic substrate, then machining and heat treatment are carried out by annealing. The aim of the invention described above is to obtain a catalytic coating having enhanced characteristics, namely, the adhesion strength of the coating to the substrate and a high free surface.
Для достижения поставленной цели на подложку методом термического напыления наносят покрытие, которое включает смесь порошков оксида алюминия, металлического алюминия в качестве металла-связки, порошок стекла, в качестве материала, обеспечивающего формирование макроструктуры покрытия, а также композиционный прекурсор с покрытием типа гидротальцита.To achieve this goal, a coating is applied to the substrate by thermal spraying, which includes a mixture of alumina powders, aluminum metal as a binder metal, glass powder, as a material for the formation of the coating macrostructure, as well as a composite precursor with a coating of hydrotalcite type.
При этом компоненты порошковой смеси для напыления предлагается выбирать из соотношения, мacc.%: Алюминий 1-7At the same time, it is proposed to choose the components of the powder mixture for spraying from the ratio, wt.%: Aluminum 1-7
Оксид алюминия 0,1-12Alumina 0.1-12
Порошок стекла 1-3Glass powder 1-3
Композиционный порошок (прекурсор) остальное. В качестве композиционного порошка в покрытии, согласно изобретению, используется порошковый материал на базе гидроксида алюминия с нанесенным на его поверхность покрытием типа гидротальцита.Composite powder (precursor) rest. As a composite powder in a coating according to the invention, an aluminum hydroxide-based powder material is used with a hydrotalcite type coating applied to its surface.
В качестве носителя композиционного порошка используется гидроксид алюминия в модификации гиббсита или бемита. Гиббсит Al(OH)3 имеет моноклинную кристаллическую решетку и диссоциирует в интервале температурAluminum hydroxide in the modification of gibbsite or boehmite is used as the carrier of the composite powder. Gibbsite Al (OH) 3 has a monoclinic crystal lattice and dissociates in the temperature range
200-300 0C с образованием бемита, AlO(OH), который, в свою очередь, разлагается в интервале температур 520-580 °C.200-300 0 C with the formation of boehmite, AlO (OH), which, in turn, decomposes in the temperature range 520-580 ° C.
Введение в смесь композиционного порошка на базе гидроксида алюминия с покрытием гидротальцита, обеспечивает развитие микроструктуры покрытия и позволяет получить высокоэффективную каталитически активную поверхность покрытия с высокой микропористостью.The introduction of a composite powder based on aluminum hydroxide with a hydrotalcite coating into the mixture ensures the development of the coating microstructure and allows obtaining a highly effective catalytically active coating surface with high microporosity.
Под гидротальцитом обычно понимают натуральный минерал, представленный формулой Mg6Al2(OH)2 .16CO3 . 4H2O. Структура гидротальцита является производной от брусита Mg(OH)2, где ионы магния формируют октаэдры, которые выстраиваются в бесконечный слой. Эти слои наложены один на другой и удерживаются вместе благодаря водородным связям. Когда часть двухвалентных катионов магния заменяется трехвалентными катионами близкого радиуса, например, катионами алюминия, слой получает дополнительный положительный заряд, который компенсируется внедрением двухвалентных анионов CO3, раполагающихся между слоями.Hydrotalcite is usually understood to mean a natural mineral represented by the formula Mg 6 Al 2 (OH) 2 .16CO 3 . 4H 2 O. The structure of hydrotalcite is derived from brucite Mg (OH) 2 , where magnesium ions form octahedra that line up in an infinite layer. These layers are superimposed on one another and are held together due to hydrogen bonds. When a part of divalent magnesium cations is replaced by trivalent cations of close radius, for example, aluminum cations, the layer receives an additional positive charge, which is compensated by the introduction of divalent CO 3 anions located between the layers.
Так называемые материалы типа гидротальцита представляют собой изоморфные аналоги, в которых катионы магния и алюминия частично замещены двухвалентными и трехвалентными катионами металлов с близким ионным радиусом. Разложение материалов типа гидротальцита происходит, как правило, в три стадии.The so-called hydrotalcite-type materials are isomorphic analogues in which the cations of magnesium and aluminum are partially replaced by divalent and trivalent metal cations with a close ionic radius. The decomposition of materials such as hydrotalcite occurs, as a rule, in three stages.
На первой стадии — около 200 0C из гидротальцита выделяется так называемая кристаллизационная вода, которая задерживается в структуре в процессе кристаллизации. На второй стадии - в интервале температур 350-450 °C из структуры выделяются анионы, которые располагаются между слоями катионов и обеспечивают электростатическое равновесие материала. Уход анионов сопровождается освобождением межплоскостного пространства и первичным развитием поверхности материала. При этом не происходит разрушение структуры материала, и она может быть восстановлена при выдержке материала в атмосфере насыщенного пара.At the first stage - about 200 0 C, the so-called crystallization water is released from hydrotalcite, which is retained in the structure during crystallization. At the second stage, in the temperature range 350-450 ° C, anions are separated from the structure, which are located between the cation layers and provide electrostatic equilibrium of the material. The departure of anions is accompanied by the release of interplanar space and the primary development of the surface of the material. In this case, there is no destruction of the structure of the material, and it can be restored by holding the material in an atmosphere of saturated steam.
На третьей стадии - при температуре выше 650 °C присходит необратимое разрушение структуры материала с образованием оксидов магния, алюминия и других металлов. Этот процесс сопровождается повторным, более значительным развитием свободной поверхности. В среднем величина свободной поверхности составляет от 200 до 400 м2/г. При дальнейшем повышении температуры отжига — свыше 750 °C идет образование шпинелейIn the third stage, at temperatures above 650 ° C, irreversible destruction of the structure of the material with the formation of oxides of magnesium, aluminum and other metals occurs. This process is accompanied by a repeated, more significant development of the free surface. On average, the free surface is 200 to 400 m 2 / g. With a further increase in the annealing temperature - over 750 ° C, spinel formation occurs.
Типичная рентгенограмма разложения классического гидротальцита системы Mg-Al с образованием соответствующих оксидов и шпинелей (см. фиг.2).A typical x-ray decomposition of the classical hydrotalcite of the Mg-Al system with the formation of the corresponding oxides and spinels (see figure 2).
Основными преимуществами синтетических гидротальцитов по сравнению с гидроксидами являются следующие:The main advantages of synthetic hydrotalcites in comparison with hydroxides are the following:
- разложение гидротальцитов происходит в три стадии, что открывает большие возможности проведения многоступенчатой термической обработки, - в пределах второй стадии разложения гидротальцита (350-450 °C) его структура может быть восстановлена полностью в атмосфере насыщенного пара,- decomposition of hydrotalcites occurs in three stages, which opens up great opportunities for multi-stage heat treatment, - within the second stage of hydrotalcite decomposition (350-450 ° C), its structure can be completely restored in an atmosphere of saturated steam,
- температура интервала третьей стадии разложения гидротальцита составляет 650-750 0C, что значительно превышает температурный интервал разложения гидроксида алюминия, который составляет 500-560 0C, - величина свободной поверхности после полного разложения гидротальцита составляет 200-400 м2/г.- the temperature of the interval of the third stage of decomposition of hydrotalcite is 650-750 0 C, which significantly exceeds the temperature range of the decomposition of aluminum hydroxide, which is 500-560 0 C, - the free surface after the complete decomposition of hydrotalcite is 200-400 m 2 / g.
Важнейшим принципиальным отличием гидротальцитов от гидроксидов алюминия является их способность замещать катионы алюминия и магния трехвалентными и, соответственно, двухвалентными катионами большинства металлов, оксиды которых широко применяются в катализе, при условии, если их ионный радиус не сильно отличается от ионных радиусов алюминия и магния. Это позволяет вводить такие металлы прямо в структуру гидротальцитов и использовать, таким образом, основные особенности их разложения для получения катализаторов необходимого химического состава в виде смеси оксидов или сложных оксидовThe most important fundamental difference between hydrotalcites and aluminum hydroxides is their ability to replace aluminum and magnesium cations with trivalent and, accordingly, divalent cations of most metals, the oxides of which are widely used in catalysis, provided that their ionic radius is not much different from the ionic radii of aluminum and magnesium. This allows one to introduce such metals directly into the structure of hydrotalcites and, thus, use the main features of their decomposition to obtain catalysts the necessary chemical composition in the form of a mixture of oxides or complex oxides
(шпинелей) с высокой свободной поверхностью.(spinel) with a high free surface.
Поэтому именно синтетические гидротальциты с частично замещенными ионами магния и алюминия целесообразно использовать в качестве материала, обеспечивающего создание высокоэффективной каталитически активной поверхности с высокой микропористостью.Therefore, it is precisely synthetic hydrotalcites with partially substituted magnesium and aluminum ions that are advisable to use as a material ensuring the creation of a highly efficient catalytically active surface with high microporosity.
В приведенном выше патенте при использовании композиционного прекурсора в высокий уровень каталитических свойств достигается за счет того, что прекурсор представляет собой пористую частицу гидроксида алюминия (гиббсита или бемита), на поверхность которого осаждается тонкий слой гидротальцита. В процессе термического разложения после напыления ядро прекурсора, состоящее из гиббсита или бемита, переходит в оксид алюминия, а гидротальцит на его поверхности в смесь оксидов или, в зависимости от температуры обработки, шпинели. Принципиальным отличием от процесса разложения порошкового смесевого покрытия является то, при данной технологии на поверхности частицы носителя, в процессе ее развития, всегда находится слой гидротальцита, который тоже разлагается с увеличением свободной поверхности покрытия. В процессе совместного разложения ядра и покрытия идет мультипликация соответствующих эффектов, что резко увеличивает степень развития поверхности.In the above patent, when using a composite precursor, a high level of catalytic properties is achieved due to the fact that the precursor is a porous particle of aluminum hydroxide (gibbsite or boehmite), on the surface of which a thin layer of hydrotalcite is deposited. In the process of thermal decomposition after sputtering, the precursor core, consisting of gibbsite or boehmite, transforms into aluminum oxide, and hydrotalcite on its surface into a mixture of oxides or, depending on the processing temperature, spinel. The fundamental difference from the process of decomposition of the powder mixture coating is that, with this technology, on the surface of the carrier particle, in the process of its development, there is always a layer of hydrotalcite, which also decomposes with an increase in the free surface of the coating. In the process of joint decomposition of the core and the coating, the corresponding effects are multiplied, which sharply increases the degree of surface development.
В качестве примера можно привести попытку воспроизведения технологии плазменного напыления каталитического покрытия на металлическую подложку в соответствии с патентом WO2004079035, описанным выше. В качестве подложки использовалась тонкая (40 мкм) лента из жаростойкой хромоалюминиевой стали марки OC404 (Сандвик). Плазменное напыление выполнялось с использованием источника тока типа AПP-403 и воздушного плазмотрона. В качестве плазмобразующего газа использовался воздух. Электрические параметры соответствовали приводимым в упомянутом патенте, а именно, напряжение 210 вольт, ток 150 ампер. Регулирование данных параметров осуществлялось в достаточно узком интервале (напряжение в пределах 200-220 вольт, ток в пределах 140-160 ампер). Выход за границы указанных диапазонов приводил к срыву процесса напыления. Расстояние между срезом сопла плазмотрона и напыляемой поверхностью составляло 100 мм. Уменьшение этого расстояния приводило к перегреву, а увеличение - к недостаточному нагреву напыляемой поверхности. В первом и во втором случае эхо приводило к резкому снижению адгезии напыляемого слоя. Давление воздуха, который использовался в качестве плазобразующего газа, поддерживалось на уровне 0,07 МПа. Понижение давления воздуха может привести к перегреву плазмотрона в процессе напыления, повышение давления приводит к повышению напряжения между между анодом и катодом — в этом случае снижается стабильность работы плазмотрона и резко повышается вероятность его выхода из строя.An example is the attempt to reproduce the plasma spraying technology of a catalytic coating on a metal substrate in accordance with the patent WO2004079035 described above. A thin (40 μm) strip of heat-resistant chromium-aluminum steel grade OC404 (Sandvik) was used as a substrate. Plasma spraying was performed using an APP-403 type current source and an air plasma torch. Air was used as a plasma-forming gas. The electrical parameters corresponded to those cited in the aforementioned patent, namely, voltage of 210 volts, current of 150 amperes. The regulation of these parameters was carried out in a rather narrow range (voltage within 200-220 volts, current within 140-160 amperes). Going beyond the boundaries of these ranges led to a breakdown of the spraying process. The distance between the cut of the plasma torch nozzle and the sprayed surface was 100 mm. A decrease in this distance leads to overheating, and an increase leads to insufficient heating of the sprayed surface. AT the first and second cases, the echo led to a sharp decrease in adhesion of the sprayed layer. The air pressure that was used as the plasma-forming gas was maintained at 0.07 MPa. A decrease in air pressure can lead to overheating of the plasma torch during the deposition process, an increase in pressure leads to an increase in voltage between the anode and cathode - in this case, the stability of the plasma torch decreases and the probability of its failure sharply increases.
Единственными параметрами, которые могут регулироваться в широких пределах при плазменном напылении, являются скорость и объем подачи напыляемых порошков. Порошок может подаваться двумя способами — путем введения порошка внутрь плазмотрона и подачи по осевой линии в струе плазмы (в максимально прогретую зону) и подачи непосредственно в переферийную (более холодную зону) струи плазмы.The only parameters that can be widely controlled with plasma spraying are the speed and flow rate of the sprayed powders. The powder can be supplied in two ways - by introducing the powder into the plasma torch and feeding along the axial line in the plasma jet (to the most warmed up zone) and feeding directly to the peripheral (colder zone) plasma jet.
В нашем эксперименте использовались четыре варианта подачи порошка в струю плазмы.In our experiment, we used four options for feeding powder into a plasma jet.
Для напыления использовалась смесь порошков, включающая, согласно патенту, 85 % композиционного порошка (бемит с покрытием гидротальцита), 10 % оксида алюминия гамма модификации, 3 % алюминия и 2 % стеклянного порошка (все порошки дисперсностью менее 60 микрон). Смесь порошков подавалась:For spraying, a mixture of powders was used, including, according to the patent, 85% of the composite powder (boehmite coated with hydrotalcite), 10% alumina of gamma modification, 3% aluminum and 2% glass powder (all powders with a fineness of less than 60 microns). A mixture of powders was supplied:
1 вариант — во внутреннее пространство плазмотрона по его продольной оси,Option 1 - into the interior of the plasma torch along its longitudinal axis,
2 вариант - в переферийную зону струи плазмы в 30 мм от среза сопла,Option 2 - into the peripheral zone of the plasma jet 30 mm from the nozzle exit,
3 вариант - в переферийную зону струи плазмы в 70 мм от среза сопла,Option 3 - in the peripheral zone of the plasma jet 70 mm from the nozzle exit,
4 вариант - раздельная подача: смеси порошков алюминия и стекла в переферийную зону струи в 30 мм от среза сопла (более горячую зону), смеси композиционного порошка и оксида алюминия в переферийную зону струи в 70 мм от среза сопла (более холодная зона).Option 4 - separate feed: a mixture of aluminum and glass powders into the peripheral zone of the jet 30 mm from the nozzle exit (hotter zone), a mixture of composite powder and aluminum oxide into the peripheral zone of the jet 70 mm from the nozzle exit (cooler zone).
В первом случае, при прохождении порошковой смеси через сопло плазмотрона частицы алюминия (самый легкоплавкий компонент) расплавлялись и уже через 30-40 секунд перекрывали выход плазмотрона. Таким образом, первый вариант подачи порошка в данном случае неприемлем.In the first case, when the powder mixture passed through the nozzle of the plasma torch, the aluminum particles (the most low-melting component) melted and after 30-40 seconds the output of the plasma torch was blocked. Thus, the first embodiment of the powder supply is not acceptable in this case.
Во втором случае, при подаче порошковой смеси в переферийную зону струи плазмы на расстоянии в 30 мм от среза сопла было получено покрытие с удовлетворительными свойствами толщиной около 10 микрон. Однако при подаче порошковой смеси в переферийную зону наблюдался, как показали данные весового анализа, крайне нерациональный расход напыляемого порошка. Количество осаждаемого порошка составляло не более 3-5 % от общего количества подаваемого порошка. В третьем случае, при подаче порошковой смеси в переферийную зону струи плазмы на расстоянии в 70 мм от среза сопла порошок не успевал прогреться при прохождении в плазме и не образовывал покрытия на поверхности носителя. Таким образом, третий вариант подачи порошка неприемлем.In the second case, when the powder mixture was fed into the peripheral zone of the plasma jet at a distance of 30 mm from the nozzle exit, a coating was obtained with satisfactory properties about 10 microns thick. However when serving powder mixture in the peripheral zone was observed, as shown by weight analysis, an extremely irrational flow rate of the sprayed powder. The amount of powder deposited was not more than 3-5% of the total amount of powder supplied. In the third case, when the powder mixture was supplied to the peripheral zone of the plasma jet at a distance of 70 mm from the nozzle exit, the powder did not have time to warm up when passing through the plasma and did not form a coating on the surface of the carrier. Thus, the third embodiment of the powder supply is not acceptable.
В четвертом случае, при раздельной подаче двух смесей в различные зоны плазменной струи, было получено покрытие с удовлетворительными свойствами толщиной около 15 микрон. Однако, в этом случае наблюдался, также как и во втором случае, нерациональный расход напыляемого порошка. Количество осаждаемого порошка составляло около 8-10 % от общего количества осаждаемого порошка. Из приведенных выше результатов воспроизведения упомянутого патента видно, что данный метод получения композиционных покрытий имеет ряд недостатков, которые резко ограничивают возможности его применения. Дело в том, что метод термического напыления предусматривает, в той или иной степени, прохождение частиц порошка в струе плазмы, что обеспечивает полное или частичное расплавление частиц, что в свою очередь, обеспечивает их надежное сцепление с металлической подложкой. В том случае, когда производится напыление порошковых материалов для обеспечения плотного покрытия — это допустимо и даже желательно, однако при напылении комплексных прекурсоров, описанном в приведенном выше изобретении, это приводит к целому ряду серьезных проблем.In the fourth case, when two mixtures were separately fed into different zones of the plasma jet, a coating was obtained with satisfactory properties about 15 microns thick. However, in this case, as in the second case, an irrational consumption of the sprayed powder was observed. The amount of deposited powder was about 8-10% of the total amount of deposited powder. From the above results of the reproduction of the aforementioned patent it can be seen that this method of obtaining composite coatings has a number of disadvantages that severely limit the possibility of its application. The fact is that the thermal spraying method provides, to one degree or another, the passage of powder particles in a plasma jet, which ensures full or partial melting of the particles, which, in turn, ensures their reliable adhesion to a metal substrate. In the case when the powder materials are sprayed to provide a dense coating, this is acceptable and even desirable, however, when spraying the complex precursors described in the above invention, this leads to a number of serious problems.
Основная проблема заключается в том, что хотя диаметр частиц композиционного прекурсора достаточно велик (достигает 100 микрон), их масса недостаточна для эффективного внедрения в промежуточный слой, нанесенный на поверхность подложки для увеличения адгезии. С другой стороны, входящие в состав порошковой смеси частицы алюминия эффективно внедряются в промежуточный слой, захватывая часть напыляемых частиц и обеспечивая тем самым повышение эффективности процесса. Однако большая часть порошка - от 80 до 90 % - не напыляется и уходит в отходы, понижая тем самым эффективность процесса напыления. В связи с изложенным, представляется разумным значительно повысить массу частицы композиционного прекурсора за счет введения дополнительных материалов, которые используются в процессе напыления и которые, по меньшей мере, не снизят уровня каталитических свойств покрытия. Это обеспечит резкое повышение плотности напыленного слоя, и, следовательно, уровня каталитических свойств, а также снижение непродуктивных расходов порошка композиционного прекурсора за счет уменьшения потерь при напылении.The main problem is that although the particle diameter of the composite precursor is large enough (reaches 100 microns), their mass is insufficient for effective incorporation into the intermediate layer deposited on the surface of the substrate to increase adhesion. On the other hand, aluminum particles included in the composition of the powder mixture are effectively embedded in the intermediate layer, capturing part of the sprayed particles and thereby increasing the efficiency of the process. However, most of the powder - from 80 to 90% - does not spray and goes to waste, thereby reducing the efficiency of the spraying process. In connection with the foregoing, it seems reasonable to significantly increase the particle mass of the composite precursor by introducing additional materials that are used in the spraying process and which, at least, will not reduce the level of catalytic properties of the coating. This will provide a sharp increase in the density of the deposited layer, and, consequently, the level of catalytic properties, as well as a reduction in the unproductive expenditures of the powder of the composite precursor by reducing losses during sputtering.
Эта задача может быть решена за счет создания композиционного прекурсора, в котором частица металлического алюминия представляет собой ядро, на котором нанесен промежуточный слой гидроксида алюминия, прочно сцепленный с металлическим ядром и имеющий развитую поверхность, на которую нанесен слой гидротальцита.This problem can be solved by creating a composite precursor in which a metal aluminum particle is a core on which an intermediate layer of aluminum hydroxide is deposited, firmly adhered to the metal core and having a developed surface on which a layer of hydrotalcite is deposited.
Фиг.З - схема последовательного развития концепции прекурсора. На схеме представлена эволюция концепции прекурсора - начиная с частицы гидротальцита, через композиционный порошок в котором роль ядра играет гидроксид алюминия (гиббсит или бемит), а в качестве покрытия используется гидротальцит, и до прекурсора, который представляет собой композицию из алюминиевого ядра, промежуточного слоя гидроксида алюминия и покрытия из гидротальцита. Рассмотрим последовательно требования к отдельным компонентам прекурсора и возможности их реализации на практике.Fig.Z is a diagram of the sequential development of the concept of a precursor. The diagram shows the evolution of the precursor concept - starting with a hydrotalcite particle, through a composite powder in which aluminum hydroxide plays the role of a core (gibbsite or boehmite), and hydrotalcite is used as a coating, and to a precursor, which is a composition of an aluminum core, an intermediate hydroxide layer aluminum and hydrotalcite coatings. Let us consider successively the requirements for individual components of the precursor and the possibility of their implementation in practice.
Алюминиевая частица, представляющая собой ядро прекурсора, должна иметь размеры 60-100 микрон, что обусловлено возможностями подачи порошка из дозатора и его прохождением через плазмотрон. Процесс создания на поверхности частицы слоя гидроксида алюминия представляет собой достаточно сложную задачу, так как он должен обеспечивать выполнение следующих условий:The aluminum particle, which is the core of the precursor, should have a size of 60-100 microns, which is due to the possibilities of feeding the powder from the dispenser and its passage through the plasma torch. The process of creating an aluminum hydroxide layer on the particle surface is a rather complicated task, since it must ensure that the following conditions are met:
- высокая пористость слоя для обеспечения равномерного распределения гидротальцита, осаждаемого на его поверхность, - равномерность распределения пористого слоя по поверхности частицы и полное покрытие поверхности частицы алюминия,- high porosity of the layer to ensure uniform distribution of hydrotalcite deposited on its surface, - uniform distribution of the porous layer over the surface of the particle and a complete coating of the surface of the aluminum particle,
- высокая прочность сцепления пористого слоя с поверхностью частицы алюминия. Для выполнения поставленной задачи могут быть использованы методы химического осаждения из паровой фазы и методы совместной механической обработки в аттриторах. Методы химического осаждения из паровой фазы обеспечивают сплошное покрытие при достаточно хорошем сцеплении, однако они не могут обеспечить получения пористого слоя достаточно большой толщины (порядка 5-10 микрон). Методы совместной обработки в аттриторах обеспечивают получение пористого слоя достаточно большой толщины, однако они не обеспечивают сплошного покрытия и надежного сцепления. Весьма простыми и эффективными являются методы окисления алюминиевых порошков в воздушной среде.- high adhesion of the porous layer to the surface of the aluminum particles. To accomplish this task, methods of chemical vapor deposition and methods of joint mechanical processing in attritors can be used. Chemical vapor deposition methods provide a continuous coating with a sufficiently good adhesion, but they cannot provide a porous layer of a sufficiently large thickness (about 5-10 microns). Joint processing methods in attritors provide a porous layer of a sufficiently large thickness, but they do not provide a continuous coating and reliable adhesion. Very simple and effective are the methods of oxidation of aluminum powders in air.
Процесс выращивания пористого слоя на поверхности частицы алюминия заключается в последовательной гидратации слоя оксида с образованием пористой структуры, затем снова образования оксидного слоя, его гидратации и т.д. Процесс может быть доведен до получения пористого слоя гидроксида необходимой толщины или даже полной гидратации частицы алюминия.The process of growing a porous layer on the surface of an aluminum particle consists in sequentially hydrating the oxide layer to form a porous structure, then again forming the oxide layer, hydrating it, etc. The process can be brought to a porous hydroxide layer of the required thickness or even complete hydration of the aluminum particle.
В цикле статей (КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2000, том 41, Xa 6, c.907-915, КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ, 2000, том 41, JV° 6, c.916-924) описана технология получения пористой металлокерамики путем формирования частиц алюминия с покрытием из гидроксида алюминия на поверхности и их последующего прессования. Формирование пористого слоя гидроксида алюминия на поверхности частиц проводится при окислении частиц алюминия в автоклаве с контролируемой температурой и давлением. В статьях установлены базовые закономерности кинетики формирования поверхностного слоя гидроксида алюминия (бемита) в процессе окисления частиц алюминия в паровой фазе (гидротермальное окисление). Как установлено в ходе исследований, на начальной стадии процесса происходит формирование оксида алюминия, который потом, в процессе гидратации, превращается в бемит. Величина свободной поверхности слоя бемита, при его объеме, составляющем менее 10 %, составляет 200-250 м2/г. При дальнейшем увеличении объема поверхностного слоя происходит снижение величины свободной поверхности до 150-160 м2/г.The series of articles (KINETICS AND CATALYSIS, 2000, volume 41, Xa 6, p.907-915, KINETICS AND CATALYSIS, 2000, volume 41, JV ° 6, p.916-924) describes the technology for producing porous cermet by forming aluminum particles coated with aluminum hydroxide on the surface and their subsequent pressing. The formation of a porous layer of aluminum hydroxide on the surface of the particles is carried out during the oxidation of aluminum particles in an autoclave with a controlled temperature and pressure. The basic laws of the kinetics of the formation of the surface layer of aluminum hydroxide (boehmite) during the oxidation of aluminum particles in the vapor phase (hydrothermal oxidation) are established in the articles. As established during the research, at the initial stage of the process, the formation of aluminum oxide occurs, which then, during hydration, turns into boehmite. The free surface of the boehmite layer, with its volume of less than 10%, is 200-250 m 2 / g. With a further increase in the volume of the surface layer, the free surface decreases to 150-160 m 2 / g.
Известен способ получения гидроксидов алюминия (WO 2004/071950A1, Способ получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода и устройство для его осуществления) из порошка мелкодисперсного алюминия с размером частиц не более 20 мкм, из которого готовят водную суспензию, которую подают в реактор, где суспензию распыляют каплями диаметром 5-100 мкм в воду, находящуюся под давлением 20-40 МПа при температуре 220-900 °C.A known method for producing aluminum hydroxides (WO 2004 / 071950A1, A method for producing hydroxides or oxides of aluminum and hydrogen and a device for its implementation) from a powder of finely dispersed aluminum with a particle size of not more than 20 μm, from which an aqueous suspension is prepared, which is fed to the reactor, where the suspension is sprayed with drops with a diameter of 5-100 microns in water under a pressure of 20-40 MPa at a temperature of 220-900 ° C.
Ипользование данного метода обеспечивает, по данным авторов, получение:The use of this method provides, according to the authors, obtaining:
- гидроксида алюминия (бемита) при температуре 250-300 0C, давлении 32-35 МПа и соотношении алюминий/вода 8-12,- aluminum hydroxide (boehmite) at a temperature of 250-300 0 C, a pressure of 32-35 MPa and an aluminum / water ratio of 8-12,
- гидроксида алюминия (байерита) при температуре 220-330 °C, давлении 30- 33 МПа и соотношении алюминий/вода 12-14,- aluminum hydroxide (bayerite) at a temperature of 220-330 ° C, a pressure of 30-33 MPa and an aluminum / water ratio of 12-14,
- смесь гидроксидов алюминия (бемита и байерита) при температуре 280-330 °C, давлении 30-33 МПа и соотношении алюминий/вода 1-12. Предлагается также способ производства гидроксидов и оксидов алюминия- a mixture of aluminum hydroxides (boehmite and bayerite) at a temperature of 280-330 ° C, a pressure of 30-33 MPa and an aluminum / water ratio of 1-12. A method for the production of hydroxides and aluminum oxides is also provided.
(US2758011, Рrоduсtiоп оf аlumiпа) путем окисления в водной среде под давлением.(US2758011, Roodustiof of alumipa) by oxidation in an aqueous medium under pressure.
Осаждение слоя гидротальцита на на пористую поверхность гидроксида алюминия может быть выполнено различными методами, включая методы пропитки, соосаждения и др. (CN1483513 ,,High disреrsiпg suрроrtеd tуре пiсkеl саtаlуst рrераrеd bу lаmеllаr рrесursоr апd рrераrаtiоп mеthоd thеrеоf" , WO2004079035 ,,Method fоr рrоduсiпg а соmроsitе соаtiпg"). Сущность изобретенияThe deposition of a hydrotalcite layer on the porous surface of aluminum hydroxide can be carried out by various methods, including methods of impregnation, coprecipitation, etc. (CN1483513, "sootipg"). SUMMARY OF THE INVENTION
Задачей данного изобретения была разработка комплексного прекурсора для термического напыления каталитических покрытий. Комплексный прекурсор должен был представлять собой частицы, включающие алюминиевое ядро, промежуточное покрытие из гидроксида алюминия и внешний слой каталитического материала на базе синтетического гидротальцита.The objective of the invention was to develop a complex precursor for thermal spraying of catalytic coatings. The complex precursor was supposed to be particles including an aluminum core, an intermediate coating of aluminum hydroxide and an outer layer of catalytic material based on synthetic hydrotalcite.
Каталитическое покрытие, получаемое в процессе термического напыления комплексного прекурсора, должно обеспечивать хорошую адгезию с подложкой, высокую величину удельной свободной поверхности и высокие каталитические свойства в реакции восстановления окислов азота. Подробное описание изобретенияThe catalytic coating obtained in the process of thermal spraying of a complex precursor should provide good adhesion to the substrate, a high specific free surface and high catalytic properties in the reaction of reduction of nitrogen oxides. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что для термического напыления каталитических покрытий изготавливается специальный порошковый материал - прекурсор (рrесursоr), каждая частица которого представляет собой ядро из алюминия с нанесенным на его поверхность промежуточным слоем гидроксида алюминия и нанесенным на поверхность промежуточного слоя поверхностным слоем каталитического материала - синтетическим гидротальцитом. Для приготовления прекурсора используется порошок алюминия дисперсностью 20-100 микрон. Технологический процесс получения прекурсора включает в себя две стадии:The essence of the invention consists in the fact that for the thermal spraying of catalytic coatings a special powder material is made - a precursor (resursor), each particle of which is a core of aluminum with an intermediate layer of aluminum hydroxide deposited on its surface and a surface layer of catalytic material deposited on the surface of the intermediate layer - synthetic hydrotalcite. For the preparation of the precursor, aluminum powder with a dispersion of 20-100 microns is used. The technological process for obtaining a precursor includes two stages:
1 стадия. Гидратация алюминиевого порошка в парах воды с получением поверхностного слоя гидроксида алюминия (гиббсита, бемита и/или байерита).Stage 1 Hydration of aluminum powder in water vapor to obtain a surface layer of aluminum hydroxide (gibbsite, boehmite and / or bayerite).
2 стадия. Осаждение на поверхность гидратированного порошка алюминия слоя синтетического гидротальцита.2 stage. Deposition of a layer of synthetic hydrotalcite onto the surface of hydrated aluminum powder.
Для производства прекурсора был разработан технологический процесс гидратации алюминиевого порошка (1 стадия), который обеспечивает получение пористого промежуточного слоя гидроксида алюминия на поверхности алюминиевых частиц.For the production of the precursor, a technological process for hydration of aluminum powder (stage 1) was developed, which provides a porous intermediate layer of aluminum hydroxide on the surface of aluminum particles.
100 граммов порошкового алюминия, дисперсностью менее 63 микрон, были помещены в специальный автоклав, объемом 6 литров, оснащенный электрическим нагревательным элементом (мощность 2,4 квт) и каналами (рабочим и аварийным) для выхода пара. Автоклав был заполнен 2 литрами дистиллированной воды, плотно закрыт и включен. Канал выхода пара был отрегулирован таким образом, чтобы обеспечивать избыточное давление около 1,5 бар, а температура поддерживалась на уровне 100 0C при помощи электронного блока регулировки. Формирование гидроксида в паровоздушной среде продолжалось в течение 90 минут. После завершения процесса, предохранительный клапан был открыт до полного охлаждения автоклава. При достижении температуры 35 °C порошок был извлечен из автоклава. Сушка порошка проводилась на открытом воздухе при комнатной температуре в течение 8-12 часов. На фиг. 4 приведена рентгенограмма порошка алюминия с гидратированным слоем. Помимо пиков, соответствующих алюминию, отчетливо видны пики, соответствующие гидроксидам алюминия, а именно бемиту и байериту. Таким образом, в данном случае мы имеем смешанную структуру гидратированного слоя.100 grams of aluminum powder, dispersion of less than 63 microns, were placed in a special autoclave with a volume of 6 liters, equipped with an electric heating element (2.4 kW power) and channels (working and emergency) for steam output. The autoclave was filled with 2 liters of distilled water, tightly closed and turned on. The steam outlet channel was adjusted so as to provide an excess pressure of about 1.5 bar, and the temperature was maintained at 100 0 C using the electronic control unit. The formation of hydroxide in a vapor-air medium continued for 90 minutes. After completion of the process, the safety valve was open until the autoclave was completely cooled. Upon reaching a temperature of 35 ° C, the powder was recovered from the autoclave. The powder was dried in the open air at room temperature for 8-12 hours. In FIG. Figure 4 shows an X-ray diffraction pattern of an aluminum powder with a hydrated layer. In addition to the peaks corresponding to aluminum, peaks corresponding to aluminum hydroxides, namely boehmite and bayerite, are clearly visible. Thus, in this case, we have a mixed structure of the hydrated layer.
Фиг.4 — рентенограмма алюминиевого порошка с гидратированным слоем. Разработка химического и фазового состава синтетического гидротальцита для нанесения поверхностного каталитического слоя на прекурсоре проводилась следующим образом. Разработка катализатора проводилась применительно к задаче восстановления окислов азота и окисления окиси углерода в выхлопных газах дизельного двигателя. Такая постановка задачи определила требования как к катализатору, так и к условиям его эксплуатации. Разрабатываемый катализатор (на базе гидротальцита) должен обеспечивать восстановление окислов азота до молекулярного азота и окисление окиси углерода до двуокиси углерода. Для обеспечения поставленной задачи были выбраны гидротальциты системы Mg-Al-Co с возможностью введения дополнительных ионов металлов, таких как натрий, ванадий, церий и/или рутений.Figure 4 - x-ray aluminum powder with a hydrated layer. The development of the chemical and phase composition of synthetic hydrotalcite for the deposition of a surface catalytic layer on a precursor was carried out as follows. The development of the catalyst was carried out in relation to the task of reducing nitrogen oxides and oxidizing carbon monoxide in the exhaust gases of a diesel engine. This statement of the problem determined the requirements for both the catalyst and its operating conditions. The catalyst under development (based on hydrotalcite) should ensure the reduction of nitrogen oxides to molecular nitrogen and the oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide. To ensure the task, hydrotalcites of the Mg-Al-Co system were selected with the possibility of introducing additional metal ions, such as sodium, vanadium, cerium, and / or ruthenium.
Катализатор, полученный при разложении гидротальцитов, описанных выше, является активным при удалении окислов азота при низких температурах и в присутствии кислорода, паров воды и оксидов серы, а также при окислении углеродосо держащих смесей при низкой температуре. Катализаторы могут быть приготовлены методом соосаждения растворов, содержащих магний, алюминий и кобальт с раствором щелочи для синтеза Mg-Al-Co гидротальцита.The catalyst obtained by the decomposition of hydrotalcites described above is active in the removal of nitrogen oxides at low temperatures and in the presence of oxygen, water vapor, and sulfur oxides, as well as in the oxidation of carbon-containing mixtures at low temperatures. Catalysts can be prepared by coprecipitation of solutions containing magnesium, aluminum and cobalt with an alkali solution for the synthesis of Mg-Al-Co hydrotalcite.
3 стадия. Раствор, содержащий ионы кобальта, магния и алюминия, был получен из растворимых солей Mg(NO3)2.6H2O, A1(NO3)3.9H2O и Co(NO3)2.6H2O. В соответствующих растворах концентрация ионов магния, алюминия и кобальта, а также соотношение (Mg+Co)/Al может изменяться в широких пределах не превышая предел растворимости.3 stage. A solution containing cobalt, magnesium and aluminum ions was obtained from the soluble salts of Mg (NO 3 ) 2 .6H 2 O, A1 (NO 3 ) 3 .9H 2 O and Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O. In the corresponding In solutions, the concentration of magnesium, aluminum, and cobalt ions, as well as the ratio (Mg + Co) / Al, can vary over a wide range without exceeding the solubility limit.
Щелочной раствор формируется при смешивании щелочных гидроксидов и карбонатов, преимущественно NaOH и Na2CO3 в адекватных концентрациях, обеспечивающих полное осаждение компонентов первого раствора.The alkaline solution is formed by mixing alkaline hydroxides and carbonates, mainly NaOH and Na 2 CO 3 in adequate concentrations, ensuring complete precipitation of the components of the first solution.
Оба раствора тщательно перемешивались. Полученный гель подвергался старению от 3 до 20 часов при температурах в диапазоне 60-100 °C. После старения полученный материал подвергался фильтрации и промывке до получения рН в диапазоне 6,8-7,5. После прокаливания при температурах до 300 0C полученный материал превращался в Мg/Аl/Со смешанные оксиды.Both solutions were thoroughly mixed. The resulting gel was aged from 3 to 20 hours at temperatures in the range of 60-100 ° C. After aging, the resulting material was filtered and washed to obtain a pH in the range of 6.8-7.5. After calcination at temperatures up to 300 ° C, the resulting material was converted to Mg / Al / Co mixed oxides.
Существуют и другие, описанные ранее, методы приготовления гидротальцитов (Саvапi, F., Тrifirо, F., Vассаri, А., Саtаl. Тоdау, 11 173 (1991); Мiуаtа, S., Сlауs Сlау Мiпеr., 28, 50 (1980); Аllmап, R., Jерsеп, H.P., Nеuеs JаhrЪ. Мiп., Мопаtsсh., 544 (1969); Rеiсhlе, W.T., Сhеmtесh, Jашаrу 58 (1986). Полученный материал пропитывался другими металлами, такими как натрий, церий, рутений и/или ванадий. Пропитка упомянутыми металлами проводилась в интервале температур 10 -100 °C, приемущественно в интервале 20-40 0C, из растворов солей, и после прокаливания происходило формирование кобальт- натриевого оксида, оксида рутения, оксида церия или оксида ванадия. Процентное соотношение оксидов данных металлов в катализаторе составляет 0,1-30 %, преимущественно 1-20 %.There are other methods described above for the preparation of hydrotalcites (Cavapi, F., Trrifiro, F., Vassari, A., Catal. Todau, 11 173 (1991); Miuata, S., Claus Clau Miper., 28, 50 ( 1980); Allmap, R., Jersep, HP, Neues Jähr. Mip., Moptsh., 544 (1969); Rehisle, WT, Chemteh, Jashu 58 (1986). The resulting material was impregnated with other metals, such as sodium, cerium, ruthenium and / or vanadium. Impregnation of said metal held in a temperature range of 10 -100 ° C, priemuschestvenno in the range of 20-40 0 C, from salt solutions and, after calcination occurred the formation of a sodium cobalt oxide oxide Route Nia, cerium oxide or vanadium oxide. Percentages the ratio of the oxides of these metals in the catalyst is 0.1-30%, mainly 1-20%.
Каталитические свойства смешанных оксидов полученных при разложении гидротальцитов в реакции восстановления окислов азота проводились на лабораторном стенде. Опыты выполнялись в специальном реакторе, который представляет собой кварцевую трубку диаметром 22 мм и длиной 530 мм. Каталитический материал, весом 1 грамм, в виде частиц размерами 0,25-0,42 мм, загружался в реактор и нагревался до температуры 350 °C при прохождении азота или водорода. При этой температуре материал выдерживался в течение 30 минут. После этого устанавливалась желаемая температура реакции и обеспечивалась подача оксидов азота. Подаваемые газы представляли собой смесь 300 млн"1 NO, 900 млн"1 C3H8, а также меняющиеся количества кислорода и азота. Расход при подаче газовой смеси составлял 650 мл/мин. Для оценки влияния воды и SO2 на восстановление окислов азота были выполнены опыты с введением воды в пределах 0-10 % и SO2 в пределах 0-60 млн"1. Концентрация окислов азота в на выходе из реактора постоянно контролировалась при помощи хемилюминисцентного детектора Rоsеmоuпt 951 А.The catalytic properties of mixed oxides obtained by decomposition of hydrotalcites in the reaction of reduction of nitrogen oxides were carried out at a laboratory bench. The experiments were carried out in a special reactor, which is a quartz tube with a diameter of 22 mm and a length of 530 mm. Catalytic material, weighing 1 gram, in the form of particles with a size of 0.25-0.42 mm, was loaded into the reactor and heated to a temperature of 350 ° C with the passage of nitrogen or hydrogen. At this temperature, the material was aged for 30 minutes. After that, the desired reaction temperature was established and the supply of nitrogen oxides was ensured. The gases supplied were a mixture of 300 million "1 NO, 900 million " 1 C 3 H 8 , as well as varying amounts of oxygen and nitrogen. The flow rate when the gas mixture was supplied was 650 ml / min. To assess the effect of water and SO 2 on the reduction of nitrogen oxides, experiments were carried out with the introduction of water in the range of 0-10% and SO 2 in the range of 0-60 ppm . 1. The concentration of nitrogen oxides in the outlet of the reactor was constantly monitored using a chemo-luminescent detector 951 A.
Каталитическая активность смешанных оксидов полученных после разложения гидротальцита в реакции окисления углеродосодержащих смесей определялась в специальном реакторе, представляющем собой кварцевую трубку диаметром 22 мм и длиной 530 мм. Каталитический материал, весом 1 грамм, в виде частиц размерами 0,25-0,42 мм, загружался в реактор и нагревался до 350 °C при прохождении азота или водорода. При этой температуре материал выдерживался в течение 30 минут. После этого катализатор охлаждался в токе азота до 120 0C подавалась реакционная смесь, которая состояла из смеси газов, включающей 300 млн" NO, 900 млн"1 C3H8 и 8 % кислорода, остальное - азот. Расход при подаче газовой смеси составлял 650 мл/мин. Смесь газов подогревалась с температуры 120 до 550 °C со скоростью 5 °C/мин. Окисление пропана контролировалось по содержанию CO2 . Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияThe catalytic activity of mixed oxides obtained after decomposition of hydrotalcite in the oxidation reaction of carbon-containing mixtures was determined in a special reactor, which is a quartz tube with a diameter of 22 mm and a length of 530 mm. Catalytic material, weighing 1 gram, in the form of particles with a size of 0.25-0.42 mm, was loaded into the reactor and heated to 350 ° C with the passage of nitrogen or hydrogen. At this temperature, the material was aged for 30 minutes. After that, the catalyst was cooled in a stream of nitrogen to 120 ° C. A reaction mixture was supplied, which consisted of a mixture of gases, including 300 million " NO, 900 million " 1 C 3 H 8 and 8% oxygen, the rest was nitrogen. The flow rate when the gas mixture was supplied was 650 ml / min. The gas mixture was heated from a temperature of 120 to 550 ° C at a rate of 5 ° C / min. Propane oxidation was monitored by CO 2 content. Information confirming the possibility of carrying out the invention
Пример 1. Приготовление катализатора на базе Мg/Аl/Со гидротальцита с молярным соотношением 65/20/15.Example 1. Preparation of a catalyst based on Mg / Al / Co hydrotalcite with a molar ratio of 65/20/15.
Были приготовлены водные растворы: 0,975M раствор нитрата магния, 0,ЗM раствор нитрата алюминия и 0,225M раствор нитрата кобальта. Они смешивались при взбалтывании с 3,ЗЗM водным раствором NaOH и IM Na2CO3 до получения рНAqueous solutions were prepared: 0.975M solution of magnesium nitrate, 0, 3M solution of aluminum nitrate and 0.225M solution of cobalt nitrate. They mixed when shaken with 3, 3M aqueous NaOH and IM Na 2 CO 3 until pH is obtained
13.13.
Полученный гель подвергался созреванию в течение 12 часов при 60 0C, затем промывался и фильтровался до получения рН 7. Затем материал подвергался прокаливанию при 650 °C в течение 6 часов. После прокаливания материал имел относительную свободную поверхность 165 м2/г.The resulting gel was ripened for 12 hours at 60 0 C, then washed and filtered to obtain a pH of 7. Then the material was calcined at 650 ° C for 6 hours. After calcination, the material had a relative free surface of 165 m 2 / g.
Пример 2. Приготовление катализатора на базе Mg-Al-Co гидроталъцита с молярным соотношением 65/20/15 с Na и V.Example 2. Preparation of a catalyst based on Mg-Al-Co hydrotalcite with a molar ratio of 65/20/15 with Na and V.
К катализатору, описанному в примере 1, добавлялись, методом пропитки, IM раствор соли ванадия и NaOH до получения 1 % ванадия и 6 % натрия. Затем материал был подвергнут сушке и прокаливанию при 550 0C. После прокаливания материал имел относительную свободную поверхность 55 м2/г.To the catalyst described in Example 1 was added, by impregnation, an IM solution of the vanadium salt and NaOH to obtain 1% vanadium and 6% sodium. Then, the material was dried and calcined at 550 ° C. After calcination, the material had a relative free surface of 55 m 2 / g.
Пример 3. Каталитическая активность в реакции восстановления NOx катализатора, описанного в примере 2. Катализатор, описанный в примере 2, использовался для удаления NOx, как это описано выше, при различных температурах. Была получена 95 % конверсия окислов азота при продолжительности эксперимента в течение 1 часа при температурах в интервале 100-400 °C и присутствии 8 % кислорода.Example 3. Catalytic activity in the NOx reduction reaction of the catalyst described in Example 2. The catalyst described in Example 2 was used to remove NOx, as described above, at various temperatures. A 95% conversion of nitrogen oxides was obtained with an experiment duration of 1 hour at temperatures in the range of 100-400 ° C and in the presence of 8% oxygen.
Пример 4. Каталитическая активность в реакции окисления углеродосодержащих смесей катализатора, описанного в примере 1.Example 4. Catalytic activity in the oxidation reaction of carbon-containing mixtures of the catalyst described in example 1.
Катализатор, описанный в примере 1, использовался для удаления углеродосодержащих смесей, как это описано в выше. Установлено, что в присутствии данного катализатора окисление пропана происходит при температурах, на 120 °C ниже, чем без катализатора. Нанесение описанных выше композиций гидротальцита на промежуточный слой гидроксида алюминия на поверхности алюминиевой частицы (стадия 2 приготовления комплексного прекурсора) проводилось методом осаждения.The catalyst described in example 1 was used to remove carbon-containing mixtures, as described above. It was found that in the presence of this catalyst, propane oxidation occurs at temperatures 120 ° C lower than without catalyst. The hydrotalcite compositions described above were applied to the intermediate layer of aluminum hydroxide on the surface of an aluminum particle (stage 2 of the preparation of a complex precursor) by the deposition method.
Пример 5. Осаждение слоя гидроталъцита на промежуточный слой гидроксида алюминия (гиббсит/бемит) при производстве комплексного прекурсора. 50 г алюминиевого порошка со слоем гидроксида на поверхностиExample 5. The deposition of a layer of hydrotalcite on an intermediate layer of aluminum hydroxide (gibbsite / boehmite) in the production of a complex precursor. 50 g of aluminum powder with a layer of hydroxide on the surface
(обработанного по приведенной выше технологии) помещались в стеклянный сосуд, содержащий раствор «B» (20г NaOH и 20г NaHCO3 в 250 мл воды). Затем, при потоянном перемешивании, в сосуд по капле подавался раствор «A» (160 мл IM Mg(NO3)2 х 6H2O, 28 мл IM Co(NO3)2 х 6H2O и 64 мл IM A1(NO3)3 х 9H2O). Процесс осаждения сопровождается сильной экзотермической реакцией - температура повышется до 90-95 0C. Осаждение занимает около 3 часов. Полученная суспензия подвергалась созреванию в течение 24 часов при температуре 80 °C, затем охлаждалась до комнатной температуры, подвергалась фильтрации дистиллированной водой, сушке при комнатной температуре и размолу. Таким образом на поверхность частиц с пористым слоем на базе гидроксидов алюминия наносили тонкий слой гидротальцита (фиг.5).(processed according to the above technology) were placed in a glass vessel containing a solution of "B" (20 g of NaOH and 20 g of NaHCO 3 in 250 ml of water). Then, with stirring, a solution of “A” (160 ml of IM Mg (NO 3 ) 2 x 6H 2 O, 28 ml of IM Co (NO 3 ) 2 x 6H 2 O and 64 ml of IM A1 (NO 3 ) 3 x 9H 2 O). Process precipitation is accompanied by a strong exothermic reaction - the temperature rises to 90-95 0 C. Precipitation takes about 3 hours. The resulting suspension was ripened for 24 hours at 80 ° C, then cooled to room temperature, filtered by distilled water, dried at room temperature and milled. Thus, a thin layer of hydrotalcite was deposited on the surface of particles with a porous layer based on aluminum hydroxides (Fig. 5).
Полученный таким образом прекурсор использовался в процессе термического напыления для получения каталитического покрытия. В качестве подложки для получения каталитического покрытия использовали стальную ленту из жаростойкой стали толщиной 40 микрон (Сандвик OC404). Напыление проводили с обеих сторон. При напылении использовался источник тока АПР - 403, а также плазмотрон и дозаторы оригинальной конструкции, обеспечивающие подачу высоко дисперсного и легкого керамического порошка. Микроструктура поверхности покрытия представлена на фиг.6.Thus obtained precursor was used in the process of thermal spraying to obtain a catalytic coating. A steel strip made of heat-resistant steel 40 microns thick (Sandvik OC404) was used as a substrate for obtaining a catalytic coating. Spraying was carried out on both sides. When spraying, an APR-403 current source was used, as well as a plasma torch and dispensers of an original design, which provided a highly dispersed and light ceramic powder. The microstructure of the coating surface is presented in Fig.6.
После напыления образцы подвергались гофрированию с шагом 3 мм и сворачивались в каталитические блоки диаметром 40 мм и длиной 50 мм. Полученные таким образом каталитические блоки проходили термическую обработку в интервале температур 650-850 0C для разложения промежуточного слоя гидроксида и поверхностного слоя кобальтового гидротальцита. Режим термической обработки включал медленный нагрев (со скоростью не выше 3 °C мин"1), выдержку в течение 3 часов в интервале температур 650-850 °C и медленное охлаждение (со скоростью не выше 4 0C мин"1) до комнатной температуры.After spraying, the samples were corrugated with a step of 3 mm and rolled up into catalytic blocks with a diameter of 40 mm and a length of 50 mm. The catalytic blocks thus obtained were heat-treated in the temperature range 650-850 0 C to decompose the intermediate hydroxide layer and the surface layer of cobalt hydrotalcite. The heat treatment regime included slow heating (at a speed of no higher than 3 ° C min "1 ), holding for 3 hours in the temperature range 650-850 ° C and slow cooling (at a speed of no higher than 4 0 C min " 1 ) to room temperature .
Оценка каталитических свойств блоков проводилась на стенде оригинальной конструкции. На фиг.7. представлена схема стенда, который включает: паровой котел 1, труба входа газа 2, труба выхода газа 3, анализатор газа "Есоliпе 6000" 4, фильтр 5, счетчик 6, насос 7, вентили 8, цилиндрическую печь 9 и термопары T9-Evaluation of the catalytic properties of the blocks was carried out at the stand of the original design. 7. The scheme of the stand is presented, which includes: a steam boiler 1, a gas inlet pipe 2, a gas outlet pipe 3, an EcoLipe 6000 gas analyzer 4, a filter 5, a counter 6, a pump 7, valves 8, a cylindrical furnace 9, and T9- thermocouples
T12.T12
Оценка каталитических свойств покрытий проводилась в реакции восстановления окислов азота при сгорании сжиженного газа (LPG) в бытовом котле, при пропускании продуктов сгорания, имеющих концентрацию:Evaluation of the catalytic properties of the coatings was carried out in the reaction of reduction of nitrogen oxides during the combustion of liquefied gas (LPG) in a domestic boiler, while passing combustion products having a concentration of:
NOx: 30 -40 млн"1;NO x : 30-40 ppm "1 ;
СО: 4000 - 5000 млн"1;СО: 4000 - 5000 million "1 ;
O2: -0,3 % через два каталитические блока диаметром 40 мм и длиною 50 мм со скоростью 2,8 л/мин при помощью насоса. Каталитические свойства оценивали при помощи анализатора газов "Есоliпе 6000".O 2 : -0.3% through two catalytic blocks with a diameter of 40 mm and a length of 50 mm with a speed of 2.8 l / min using a pump. Catalytic properties were evaluated using an EcoLipe 6000 gas analyzer.
Пример 6. Технология изготовления каталитического блока (вариант 1). Порошковый прекурсор на основе композиции алюминий/гиббсит/кобальтовый гидротальцит был изготовлен следующим образом. Частицы алюминия дисперсностью 60-100 микрон были подвергнуты окислению в термостате в паровой фазе при температуре 340 °C и давлении 32 МПа в течение 24 часов, что привело к образованию на поверхности частиц алюминия пористого слоя гидроксида алюминия (гиббсита) с развитой поверхностью. Затем в специальной установке было проведено осаждение гидротальцита алюминия с содержанием кобальта около 15 %. Полученный порошок после фильтрации, сушки и размола был напылен методом термического напыления на стальную ленту OC404 с двух сторон. Затем лента была прогофрирована, свернута в цилиндр (для образования каталитического блока) и зафиксирована вдвижением ее в тонкую трубу (Г, фиг.8).Example 6. The manufacturing technology of the catalytic block (option 1). A powder precursor based on the aluminum / gibbsite / cobalt hydrotalcite composition was prepared as follows. Aluminum particles with a dispersion of 60-100 microns were oxidized in a thermostat in the vapor phase at a temperature of 340 ° C and a pressure of 32 MPa for 24 hours, which led to the formation of a porous layer of aluminum hydroxide (gibbsite) with a developed surface on the surface of aluminum particles. Then, in a special installation, aluminum hydrotalcite was precipitated with a cobalt content of about 15%. The obtained powder, after filtration, drying, and grinding, was sprayed by thermal spraying onto OC404 steel tape from two sides. Then the tape was corrugated, rolled into a cylinder (to form a catalytic block) and fixed by sliding it into a thin pipe (G, Fig. 8).
Пример 7. Технология изготовления каталитического блока (вариант 2). Технология соответствовала приведенной в Примере 6, отличаясь только в том, что при изготовлении прекурсора использовался алюминий фракций 20-60 микрон (2?, фиг.8). Пример 8. Технология изготовления каталитического блока (вариант S).Example 7. The manufacturing technology of the catalytic block (option 2). The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that, in the manufacture of the precursor, aluminum fractions of 20-60 microns were used (2 ?, Fig. 8). Example 8. The manufacturing technology of the catalytic block (option S).
Технология соответствовала приведенной в Примере 6, отличаясь только в том, что при изготовлении прекурсора окисление алюминия в паровой фазе проводилось при температуре 280 °C и давлении 34 МПа, что привело к образованию промежуточного слоя в структуре бемита (3?, фиг.8). Пример 9. Технология изготовления каталитического блока (вариант 4).The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that in the manufacture of the precursor, the oxidation of aluminum in the vapor phase was carried out at a temperature of 280 ° C and a pressure of 34 MPa, which led to the formation of an intermediate layer in the structure of boehmite (3 ?, Fig. 8). Example 9. The manufacturing technology of the catalytic block (option 4).
Технология соответствовала приведенной в Примере 6, отличаясь только в том, что при изготовлении прекурсора окисление алюминия в паровой фазе проводилось при температуре 240 °C и давлении 32 МПа, что привело к образованию промежуточного слоя в структуре байерита (4', фиг.8). Пример 10. Технология изготовления каталитического блока (вариант 5).The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that in the manufacture of the precursor, the oxidation of aluminum in the vapor phase was carried out at a temperature of 240 ° C and a pressure of 32 MPa, which led to the formation of an intermediate layer in the structure of bayerite (4 ', Fig. 8). Example 10. The manufacturing technology of the catalytic block (option 5).
Технология соответствовала приведенной в Примере 6, отличаясь только в том, что при изготовлении прекурсора окисление алюминия в паровой фазе проводилось при температуре 300 °C и давлении 32 МПа, что привело к образованию промежуточного слоя со смешанной структурой байерита и бемита (5', фиг.8). Пример 11. Технология изготовления каталитического блока (вариант 6).The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that in the manufacture of the precursor, the oxidation of aluminum in the vapor phase was carried out at a temperature of 300 ° C and a pressure of 32 MPa, which led to the formation of an intermediate layer with a mixed structure of bayerite and boehmite (5 ', Fig. 8). Example 11. The manufacturing technology of the catalytic block (option 6).
Технология соответствовала приведенной в Примере 6, отличаясь только в том, что поверхностный слой прекурсора, а именно, гидротальцит, содержал, помимо 15% кобальта 0,2% церия (6', фиг.8). Пример 12. Технология изготовления каталитического блока (вариант 7).The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that the surface layer of the precursor, namely hydrotalcite, contained, in addition to 15% cobalt, 0.2% cerium (6 ', Fig. 8). Example 12. The manufacturing technology of the catalytic block (option 7).
Технология соответствовала приведенной в Примере 6, отличаясь только в том, что поверхностный слой прекурсора, а именно, гидротальцит, содержал, помимо 15% кобальта 0,1% рутения (7', фиг.8).The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that the surface layer of the precursor, namely hydrotalcite, contained, in addition to 15% cobalt, 0.1% ruthenium (7 ', Fig. 8).
Пример 13. Технология изготовления каталитического блока (вариант 8). Технология соответствовала приведенной в Примере 6, отличаясь только в том, что поверхностный слой прекурсора, а именно, гидротальцит, содержал, помимо 15% кобальта около 0,1% натрия (8', фиг.8).Example 13. The manufacturing technology of the catalytic block (option 8). The technology corresponded to that given in Example 6, differing only in that the surface layer of the precursor, namely hydrotalcite, contained, in addition to 15% cobalt, about 0.1% sodium (8 ', Fig. 8).
На l'-8', фиг.8 представлены результаты испытаний образцов (каталитических блоков) после различных вариантов их изготовления и термообработки. On l'-8 ', Fig. 8 presents the test results of samples (catalytic blocks) after various options for their manufacture and heat treatment.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Способ получения каталитического материала путем термического напыления алюминия, оксида алюминия, гидроксида алюминия и гидротальцита, отличающийся тем, что упомянутые материалы формируются перед напылением в виде композиционного порошка, в котором частицы алюминия играют роль ядра, на котором последовательно формируются промежуточный слой гидроксида алюминия и поверхностный слой гидротальцита.1. A method of producing a catalytic material by thermal spraying of aluminum, aluminum oxide, aluminum hydroxide and hydrotalcite, characterized in that said materials are formed before spraying in the form of a composite powder, in which aluminum particles play the role of a core on which an intermediate layer of aluminum hydroxide is successively formed and surface layer of hydrotalcite.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ядром частицы композиционного порошка является частица алюминиевого порошка фракции 20-100 микрон.2. The method according to p. 1, characterized in that the core of the particles of the composite powder is a particle of aluminum powder fraction 20-100 microns.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что промежуточный слой гидроксида алюминия формируется в процессе паровоздушного окисления алюминиевого порошка.3. The method according to p. 1, characterized in that the intermediate layer of aluminum hydroxide is formed in the process of vapor-air oxidation of aluminum powder.
4. Способ по п. 1 и 3, отличающийся тем, что промежуточный слой гидроксида алюминия является гиббситом.4. The method according to p. 1 and 3, characterized in that the intermediate layer of aluminum hydroxide is gibbsite.
5. Способ по п. 1 и 3, отличающийся тем, что промежуточный слой гидроксида алюминия является байеритом.5. The method according to p. 1 and 3, characterized in that the intermediate layer of aluminum hydroxide is bayerite.
6. Способ по п. 1 и 3, отличающийся тем, что промежуточный слой гидроксида алюминия является бемитом. 6. The method according to p. 1 and 3, characterized in that the intermediate layer of aluminum hydroxide is boehmite.
7. Способ по п. 1 и 3, отличающийся тем, что промежуточный слой гидроксида алюминия является смесью байерита и бемита.7. The method according to p. 1 and 3, characterized in that the intermediate layer of aluminum hydroxide is a mixture of bayerite and boehmite.
8. Способ по п. 1 и 3, отличающийся тем, что промежуточный слой гидроксида имеет толщину в диапазоне 0,01 - ОД D, где D является диаметром алюминиевого ядра. 8. The method according to p. 1 and 3, characterized in that the intermediate hydroxide layer has a thickness in the range of 0.01 - OD D, where D is the diameter of the aluminum core.
9. Способ по п. 1 и 3, отличающийся тем, что поверхностный слой гидротальцита формируется в процессе осаждения его на поверхности промежуточного слоя гидроксида.9. The method according to p. 1 and 3, characterized in that the surface layer of hydrotalcite is formed during its deposition on the surface of the intermediate hydroxide layer.
10. Способ по п. 1, 3 и 9, отличающийся тем, что осаждаемый слой гидротальцита имеет композицию, соответствующую эмпирической формуле XMgCoAl, где X - металл или комбинация следующих металлов: церия, рутения, ванадия и/или натрия; Mg - магний, Со - кобальт, а Al - алюминий.10. The method according to p. 1, 3 and 9, characterized in that the deposited hydrotalcite layer has a composition corresponding to the empirical formula XMgCoAl, where X is a metal or a combination of the following metals: cerium, ruthenium, vanadium and / or sodium; Mg is magnesium, Co is cobalt, and Al is aluminum.
11. Способ по п. 1 - 10, отличающийся тем, что катализатор, получаемый после разложения осаждаемого слоя гидротальцита является активным в реакции восстановления окислов азота, что является следствием присутствия церия, рутения, ванадия и/или натрия в виде оксидов и следствием присутствия Мg/Аl/Со в виде смешанных оксидов, полученных в результате разложения гидротальцита.11. The method according to p. 1 to 10, characterized in that the catalyst obtained after the decomposition of the deposited layer of hydrotalcite is active in the reaction of reduction of nitrogen oxides, which is a consequence of the presence of cerium, ruthenium, vanadium and / or sodium in the form of oxides and the consequence of the presence of Mg / Al / Co in the form of mixed oxides obtained by the decomposition of hydrotalcite.
12. Способ по п. 1 - 11, отличающийся тем, что церий, рутений, ванадий и/или натрий внедряются в Мg/Аl/Со смешанные оксиды, полученные при разложении осаждаемого слоя гидротальцита, путем пропитки и прокаливания катализатора при температурах в диапазоне 350 - 800 0C в течение 1-20 часов.12. The method according to p. 1 - 11, characterized in that cerium, ruthenium, vanadium and / or sodium are introduced into the Mg / Al / Co mixed oxides obtained by decomposition of the deposited hydrotalcite layer by impregnation and calcination of the catalyst at temperatures in the range of 350 - 800 0 C for 1-20 hours.
13. Способ по п. 1 — 12, отличающийся тем, что Мg/Аl/Со смешанные оксиды, полученные при разложении гидротальцита, содержат Al в пределах 5 - 50 %, а суммарное содержание Mg и Со находится в пределах 50 - 95 %. 13. The method according to p. 1 - 12, characterized in that Mg / Al / Co mixed oxides obtained by decomposition of hydrotalcite contain Al in the range of 5-50%, and the total content of Mg and Co is in the range of 50-95%.
14. Способ по п. 1 - 13, отличающийся тем, что для введения церия, рутения, ванадия и/или натрия, которые путем пропитки внедряются в смешанные оксиды, полученные при разложении гидротальцита, используются водные растворы солей, концентрация этих металлов в готовом катализаторе находится в диапазоне 0,1 — 30 %, преимущественно в диапазоне 1 - 20 %. 14. The method according to p. 1 - 13, characterized in that for the introduction of cerium, ruthenium, vanadium and / or sodium, which by impregnation are introduced into the mixed oxides obtained by decomposition of hydrotalcite, aqueous solutions of salts are used, the concentration of these metals in the finished catalyst is in the range of 0.1-30%, mainly in the range of 1-20%.
15. Способ по п. 1 — 14, отличающийся тем, что катализатор, получаемый при разложении гидротальцита, является активным в реакциях удаления окислов азота в температурном диапазоне 100 - 500 °C в присутствии кислорода, воды и оксида серы.15. The method according to p. 1 - 14, characterized in that the catalyst obtained by the decomposition of hydrotalcite is active in the removal of nitrogen oxides in the temperature range of 100 - 500 ° C in the presence of oxygen, water and sulfur oxide.
16. Способ по п. 1 - 15, отличающийся тем, что он является активным в реакциях окисления углеродосо держащих соединений. 16. The method according to p. 1 - 15, characterized in that it is active in the oxidation reactions of carbon-containing compounds.
PCT/LT2006/000010 2006-11-23 2006-11-23 Catalytic coating production method WO2008063038A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/LT2006/000010 WO2008063038A1 (en) 2006-11-23 2006-11-23 Catalytic coating production method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/LT2006/000010 WO2008063038A1 (en) 2006-11-23 2006-11-23 Catalytic coating production method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008063038A1 true WO2008063038A1 (en) 2008-05-29

Family

ID=39429920

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/LT2006/000010 WO2008063038A1 (en) 2006-11-23 2006-11-23 Catalytic coating production method

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2008063038A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US850893A (en) * 1906-08-06 1907-04-23 Edward D Barton Sleigh-knee.
US5872075A (en) * 1996-08-19 1999-02-16 Mitsubishi Chemical Corporation Catalyst for oxidation of hydrogen, method for selective oxidation of hydrogen, and method for dehydrogenation of hydrocarbon
RU2126717C1 (en) * 1995-03-06 1999-02-27 Хинский Александр Павлович Method of manufacturing catalytic unit for neutralization of gas effluents
RU2202414C1 (en) * 1998-12-28 2003-04-20 Сименс Акциенгезелльшафт Catalyst preparation method and catalyst

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US850893A (en) * 1906-08-06 1907-04-23 Edward D Barton Sleigh-knee.
RU2126717C1 (en) * 1995-03-06 1999-02-27 Хинский Александр Павлович Method of manufacturing catalytic unit for neutralization of gas effluents
US5872075A (en) * 1996-08-19 1999-02-16 Mitsubishi Chemical Corporation Catalyst for oxidation of hydrogen, method for selective oxidation of hydrogen, and method for dehydrogenation of hydrocarbon
RU2202414C1 (en) * 1998-12-28 2003-04-20 Сименс Акциенгезелльшафт Catalyst preparation method and catalyst

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100431919B1 (en) Composition Based On Zirconium Oxide and Cerium Oxide, Preparation Method Therefor and Use Thereof
TWI358317B (en) Mixed metal oxide sorbents
Khoshbin et al. Direct synthesis of dimethyl ether on the admixed nanocatalystsof CuO–ZnO–Al2O3 and HNO3-modified clinoptilolite at high pressures: Surface properties and catalytic performance
EP2160357B1 (en) High specific surface area mixed oxide of cerium and of another rare earth, preparation method and use in catalysis
Richardson et al. Reduction of impregnated NiO/α-A12O3 association of A13+ ions with NiO
Bhosale et al. H2 generation from thermochemical water-splitting using sol-gel derived Ni-ferrite
Srisawad et al. Formation of CoAl2O4 nanoparticles via low-temperature solid-state reaction of fine gibbsite and cobalt precursor
WO2016200504A1 (en) Low inlet temperature for oxidative coupling of methane
Frikha et al. Elaboration of alumina-based materials by solution combustion synthesis: A review
JPH0450247B2 (en)
EP2165972A2 (en) Process for the production of hydrogen gas employing a thermally stable catalyst
WO2017156330A1 (en) Method of making a copper oxide-titanium dioxide nanocatalyst
JP6301923B2 (en) catalyst
CA2758112A1 (en) Protective coating for metallic surfaces and production thereof
WO2018098064A1 (en) Catalyst for high temperature steam reforming
Aghaali et al. Synthesis of nanostructured fcc/hcp hollow Ni particles by ultrasonic spray pyrolysis and its dry reforming catalytic properties
Herwig et al. Hierarchically Structured porous spinels via an epoxide-mediated sol–gel process accompanied by polymerization-induced phase separation
Belousov et al. Formation of nanomaterials based on non-ferrous and noble metals in autoclaves
JP4191044B2 (en) Process for preparing oxides based on zirconium and titanium, oxides obtained by this process and the use of these oxides as catalysts
WO2008063038A1 (en) Catalytic coating production method
Kamieniak et al. Influence of the metal/metal oxide redox cycle on the catalytic activity of methane oxidation over Pd and Ni doped hydroxyapatite
Snapkauskienė et al. Preparation and characterization of TiO2-based plasma-sprayed coatings for NOx abatement
Saikia et al. Catalytic conversion of high-GWP gases N 2 O and CH 4 to syngas (H 2+ CO) on SiO 2@ Ni-Cr layered nano-oxide-coated monolithic catalyst
Monguen et al. Progress in catalysis for industrial applications
RU2493102C1 (en) Method of obtaining nano-size powder of aluminium gamma-oxide

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 06835623

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06835623

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1