Решение вопросов экологии, в частности снижения вредных выбросов с отработанными газами (ОГ) транспортных средств, это важная задача во многих отраслях хозяйства. Вредные выбросы наносят ущерб не только обслуживающему персоналу, но и приводят к порче продукции, вследствие адсорбции вредных веществ на их поверхности.

Наряду с интенсивной вентиляцией помещений, например на внутрискладском транспорте, используются нейтрализаторы. Они представляют собой устройства, содержащие катализаторы, через которые пропускают ОГ. Вредные вещества, содержащиеся в ОГ (оксид углерода, углеводороды), на поверхности катализаторов окисляются с образованием безвредных диоксида углерода и воды [5].

Стоимость нейтрализаторов составляет от 150 до 350 у.е. Причем в среднем на катализатор приходится около 60 % стоимости нейтрализатора.

В практике нашли применение катализаторы с содержанием благородных металлов, таких как платина и палладий. Они используются как в восстановительной среде, так и в окислительной и применяются для очистки отходящих газов промышленных производств и ОГ ДВС.

Использование катализаторов в процессах нейтрализации ОГ ограничивается дефицитностью и высокой стоимостью благородных металлов.

Традиционные способы приготовления катализаторов сводятся к нанесению каталитических компонентов на носитель, например g – Al2O3, удельная поверхность которого составляет около 100 м2/г [8]. Перед нанесением носитель обрабатывается сначала паром, потом пропитывается раствором солей каталитического состава и производится сушка и прокалка катализатора.

Процесс приготовления катализатора имеет ряд недостатков:

● уменьшение удельной поверхности носителя после нанесения каталитического компонента. Так, для носителя ШН-2 изменение составляет около 30 % при нанесения соединений платины, т.е. удельная поверхность снижается со 100 до 75 м2/г;

● уменьшение общего объема пор на 20…45 % (для катализатора ШПК – 2 с 0,37 до 0,2…0,29 см3/г);

● перерасход каталитического компонента с большой глубиной пропитки носителя приводит к лимитирующей стадии каталитической реакции, являющейся внешнедиффузионным торможением;

● уменьшение доступа реагентов к внутренним порам при эксплуатации приводит к росту кристаллов каталитического компонента (платины);

● резкое уменьшение удельной поверхности палладия и платины для ШПК-0,5 на 90 % (с 85 до 7 м2/г) и для ШПК-2 на 83 % (с 60 до 10 м2/г) получаемое при нагреве катализатора до 1000 °С в течение 100 часов [4].

Большое значение имеет глубина пропитки носителя. Если она превышает необходимую, то часть катализатора не работает. В среднем глубина пропитки составляет 0,3…0,4 мм. Поэтому для эффективного каталитического воздействия достаточно наносить катализатор только на поверхность [1, 6].

Катализаторы могут содержать благородные металлы и соединения неблагородных металлов. Опыт эксплуатации нейтрализаторов показал, что наиболее эффективны катализаторы с содержанием благородных металлов. Обычно содержание платины и палладия в катализаторах зарубежного производства составляет 0,5…2,5 масс. %, в отечественном производстве 0,1…0,5 масс. %. Следует отметить высокую стоимость катализаторов.

Большая часть представленных катализаторов в табл. 1 [7] приготовлены на базе шарикового носителя ШН-2 (производство катализаторной фабрики, г. Редкино), представляющих собой гранулы из g-Аl2O3 диаметром 3,5…6 мм, при стоимости 6700 у.е. за тонну.

В табл. 2 приводится стоимость каталитического компонента относительности стоимости катализатора и нейтрализатора.

Из табл. 2 следует, что на содержание каталитического компонента приходится в среднем около 86 % стоимости катализатора и 50 % стоимости нейтрализатора. В связи с этим необходим поиск технологий, снижающих стоимость приготовления катализатора.

Одним из способов, позволяющих решить эту задачу, является использование высокотехнологичных, экономичных процессов нанесения каталитических компонентов, например способом ионной имплантации [2].

Таблица 1

Стоимость промышленных катализаторов

Примечания:

I – РФ, ЗАО «Юникс», Тверская область, г. Редкино, катализаторная фабрика.

II – Украина, Луганская область, г. Северодонецк, НИИ «Химтехнология».

Таблица 2

Стоимость каталитического компонента в устройствах нейтрализации

Ионная имплантация – это процесс, в котором посредством пучка высокоскоростных ионов практически любой элемент может быть внедрен в поверхность твердого тела, помещенного в вакуумную камеру. Ионы внедряются на глубину от 0,01 до 1 мкм [3].

Установка для осуществления данного процесса состоит из вакуумной рабочей камеры, в которой установлен источник ионов, управляемый блоком, и обрабатываемый носитель. К камере подсоединены вакуумный насос, система охлаждения источника ионов и система подачи плазмообразующего газа.

Источник ионов работает на принцип электрического разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях в парах легирующего элемента и плазмообразующего газа. Варьируя в источнике ионов мишень (центральную сменную часть), получают ионы необходимого легирующего элемента.

Данный способ является высокотехнологичным процессом и обладает рядом преимуществ:

● свойства поверхности могут изменяться в широких пределах без связи с объемными свойствами образца;

● процесс, в противоположность обычному легированию, применим к самым разным материалам (металлам, керамике);

● отсутствуют поверхности раздела (как в случае покрытий), часто являющейся объектом коррозии или источником ухудшения механических свойств;

● после обработки поверхности, при соответствующем подборе режима обработки, наблюдается увеличение удельной поверхности;

● расходуется очень малое количество добавки, поэтому при необходимости возможно использовать дорогие и редкие элементы без значительного повышения стоимости процесса;

● поверхность после имплантации может повышать свою каталитическую активность;

● процесс технологичен, хорошо контролируется и воспроизводится.

Опытный катализатор на базе носителя ШН-2 был апробирован на ПО «Азот» (г. Северодонецк) на лабораторной установке АВК-10 в реакции восстановления оксидов азота аммиаком. Эффективность катализатора – 76 %. При этом содержание платины составило около 0,02 масс. %.

В табл. 3 приводится сравнение показателей нейтрализатора с промышленным ШПК-2 и опытным катализаторами. Стоимость платины бралась согласно мировым ценам – 360 у.е. за тройскую унцию (11,5 у.е. за 1 грамм).

При сопоставлении приведенных данных был сделан вывод, что одним из реальных направлений снижения стоимости нейтрализатора является применение способа ионной имплантации.

Таблица 3

Сравнение показателей нейтрализатора с промышленным и опытным катализаторами

В результате выявлено, что одним из путей снижения стоимости нейтрализаторов является уменьшение затрат на производство катализатора. Это происходит при производстве и использовании катализаторов современного высокотехнологичного способа ионной имплантации. Нанесение каталитических компонентов данным способом приводит к снижению стоимости катализатора на 60 %, а нейтрализатора примерно на 25 %.

Рецензенты:

Рогачев А.Ф., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Математическое моделирование и информатика», ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград;

Скитер Н.Н., д.э.н., профессор кафедры «Страхование и финансово-экономический анализ», ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», г. Волгоград.