Микроволокнистые катализаторы – структуры, в которых в качестве носителя используются волокна различных материалов, в частности, стекловолокно. Такие структуры показывают высокую активность и термическую устойчивость в различных промышленных процессах по сравнению с другими типами. Ведущий научный сотрудник ФИЦ Институт катализа СО РАН, д.т.н. Андрей Загоруйко в рамках конгресса «Роскатализ» рассказал о том, какие микроволокнистые катализаторы разрабатывают в Центре, как их применяют и какие у них перспективы.

Откуда берутся новые химические технологии

По словам Андрея Загоруйко, можно выделить три драйвера создания новых химических технологий. Первый — это сама химия и новые химические реакции, но новых реакций уже практически не открывают. Второй — каталитические технологии и разработки, когда создаются новые структуры. И третий — это инженерия, создание новых каталитических реакторов и новых подходов к процессам.

«Основные подходы касаются тех факторов, которые протекают у нас в каталитическом процессе кроме, собственно, самой реакции. Значительная часть усилий ученых связана с интенсификацией тепломассообмена. И один из вариантов улучшения процессов — применение новых геометрических типов к структурированию катализаторов, которое позволяет обеспечить, насколько это возможно, оптимальную работу активных компонентов в реальных условиях», — сказал Загоруйко.

Микроволокнистые катализаторы — это как раз пример структурирования систем. В этих катализаторах вместо традиционных форм, таких как монолиты и гранулы, применяют микроволокна стекла, полимеров и минералов. В качестве активных компонентов используют благородные металлы или оксиды переходных металлов.

Свойства и особенности микроволокнистых катализаторов

Ключевая особенность микроволокнистых систем — их гибкость.

«Мы сравнивали разные типы катализаторов, и микроволокно показало намного большую активность, чем проволочные структуры, хотя геометрия у них похожа. Суть в том, что у нас гибкий катализатор, который под воздействием потока легко может менять свою форму», — пояснил Загоруйко.

Наиболее распространенный вариант таких систем — это катализаторы на стекловолокнистых носителях. В Институте катализа СО РАН разработали два класса структур с активной платиной. В первом случае на внешней поверхности катализатора стабилизируются высокодисперсные металлические частицы, а в объеме — высокодисперсные кластеры. Второй класс проще в плане синтеза — они содержат только мелкодисперсные частицы платины на внешней поверхности стекловолокон.

«При содержании платины менее 0,1% мы получаем высокую активность и хорошую термическую стойкость таких систем. Они выдерживают температуры до 700-800°C», — отметил ученый.

Такие катализаторы показывают высокую активность, стабильность и селективность при окислении органических и хлорорганических соединений, а также диоксида серы. Катализатор с палладием высокоизбирателен в реакции селективного гидрирования ацетилена, в которой ацетилен гораздо лучше диффундирует в объеме стекла к активным центрам, чем этилен, за счет более высокого дипольного момента.

Микроволокнистые катализаторы на основе оксидов железа и ванадия показывают рост активности без потери селективности в реакции окисления сероводорода в серу. При использовании системы на основе оксида никеля в пиролизе углеводородов ученым удалось получить прочный гидрофобный нановолокнистый углеродный материал с выходом до 65 г на 1 г никеля.

При этом, основным достоинством микроволокнистых каталитических систем, по мнению Загоруйко, являются их инженерные качества, в частности, сверхнизкое гидравлическое сопротивление, высокая интенсивность массообмена, а также возможность создавать на их основе принципиально новые конструкции каталитических реакторов.

«Спасибо, у нас перестало вонять»

Ученые Института катализа СО РАН занимаются микроволокнистыми катализаторами с 1990-х годов — это направление начал и развил Баир Сыдыпович Бальжинимаев. За это время разработки не раз подтвердили свою эффективность в промышленных приложениях.

В Нижнекамске в 2008 году запустили первую загрузку микроволокнистого катализатора в промышленном реакторе дожига отходящих газов в производстве изопрена. Материал, предназначенный для окисления изопрена, СО, изобутилена и формальдегида, сразу показал конверсию выше 99% — такой же высокой она осталась и через четыре года. Загруженный в 2012 году катализатор эффективно работает до сих пор.

По словам Андрея Загоруйко, не только замеры показателей доказали эффективность разработки. К ученым подошел специалист предприятия и поблагодарил: «Наконец-то здесь перестало вонять, спасибо».

Платиновые катализаторы использовали для окисления диоксида серы на Олеумном заводе в Бийске. Система позволила получать триоксид серы в количестве до 10 м³/час — этого достаточно для обеспечения эффективной работы электрофильтров за счет улучшения электрофизических свойств золы в дымовых газах угольного котла мощностью 300 МВт. При этом активность катализатора после 900 часов работы не снизилась, а даже несколько выросла.

В 2016 году в московском метрополитене установили системы очистки и охлаждения выхлопных газов дизель-генераторов с платиновыми микроволокнистыми катализаторами. Помимо соответствия уровня очистки всем необходимым требованиям ГОСТ, остаточное содержание CO и углеводородов в очищенных газах оказалось существенно ниже требований наиболее жестких зарубежных стандартов.

Андрей Загоруйко резюмировал: микроволокнистые катализаторы перспективны для окисления диоксида серы и сероводорода, кондиционирования дымовых газов угольных ТЭЦ, утилизации органических и хлорорганических соединений, селективного гидрирования ацетиленов и селективного каталитического восстановления оксидов азота, экологически чистого сжигания топлив, а также многих других каталитических процессов.