УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА ИЗ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА

Полезная модель относится к физической химии, а точнее, к химическому производству, а именно, к получению кислорода, и может найти применение в системах жизнеобеспечения, при изготовлении пористых изделий, таких, как бетон, резина, в хлебопекарной промышленности, а также для очистки сточных вод.
Известно устройство для получения кислорода из перекиси водорода, содержащее корпус, носитель, на поверхность которого нанесен слой катализатора, причем, носитель выполнен из глиноземной или кремниевой керамики, а катализатор выполнен из благородных металлов (Chem. Prod. Res. Dev. V.4, 1975, р.1236).
Недостатком такого устройства является низкая производительность и малая надежность, ввиду невысокой величины удельной поверхности керамического носителя из-за технологической сложности изготовления высокопористого изделия и неравномерности прогрева носителя в процессе работы, так как химический процесс протекает при значительном выделении тепла.
Известно устройство для получения кислорода из перекиси водорода, содержащее корпус, носитель, на поверхность которого нанесен слой катализатора, причем носитель выполнен из пористого никеля, а катализатор выполнен из смеси оксидов переходных металлов и ванадия (Пат. США №3480962 кл. 60-218, F 23 к 1/2 С 06 17/00 13/01 1970).
Недостатком такого устройства является короткий срок действия из-за высокой скорости коррозии носителя, а также нестабильность работы за счет низкой электропроводности катализатора и изменения структуры поверхности в процессе выделения кислорода.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для получения кислорода из перекиси водорода, содержащее, корпус с входным и выходным отверстиями, носитель, на поверхность которого нанесен слой катализатора, причем, носитель выполнен из пористого никеля, а катализатор из оксида марганца (Lattormoser L. Kolloid Z., 1921, 29, р.250).
Недостатками прототипа являются недостаточная надежность работы из-за непрочного закрепления катализатора на носителе, ввиду низкой температуры разложения катализатора и применения связующего для более прочного закрепления катализатора, что приводит к его вымыванию в процессе работы, защелачиванию раствора и снижению длительности и стабильности работы устройства.
Другими недостатками прототипа являются высокая скорость коррозии металлического носителя, что снижает стабильность и длительность работы устройства, а также низкая активность катализатора (скорости процесса), вследствие меняющейся стехиометрии оксида, когда каталитически активные степени окисления повышаются в процессе работы до неактивных.
Технический результат предлагаемого устройства выражается:
- в повышении надежности устройства,
- в увеличении стабильности и длительности работы более, чем в три раза,
- в ускорении процесса получения кислорода более, чем в три раза.
В основу полезной модели положена задача создания надежного устройства для получения кислорода из перекиси водорода, стабильнее и длительнее работающего с одновременным увеличением скорости процесса получения кислорода более, чем в три раза.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для получения кислорода из перекиси водорода содержит корпус с входным и выходным отверстиями, пористый металлический носитель, на поверхность которого, согласно полезной модели, дополнительно нанесен коррозионноустойчивый слой нитрида титана, а в качестве оксидного катализатора используют теплоустойчивую активную смесь оксидов щелочноземельных и редкоземельных металлов.
Таким образом, в предлагаемом устройстве для получения кислорода предложена новая совокупность существенных признаков. Все признаки существенны, поскольку влияют на достигаемый технический результат, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.
Так, например, в предпочтительном варианте выполнения устройства на поверхность пористого металлического носителя дополнительно нанесен коррозионноустойчивый слой нитрида титана, обеспечивающего стабильную и длительную работу устройства.
Целесообразно, что на коррозионноустойчивый слой нитрида титана нанесен слой оксидного катализатора, в качестве которого используют теплоустойчивую активную смесь оксидов щелочноземельных и редкоземельных металлов, за счет чего происходит увеличение (более, чем в три раза) скорости получения кислорода, а также обеспечение прочного закрепления катализатора на поверхности пористого металлического носителя с дополнительным поверхностным слоем нитрида титана.
Таким образом, отличительные признаки предложенного технического решения непосредственно влияют на достижение технического результата, полученного при
реализации полезной модели и позволяют повысить надежность, стабильность, длительность и высокую скорость получения кислорода.
На фиг.1 приведен общий вид устройства для получения кислорода из перекиси водорода.
Устройство для получения кислорода содержит корпус 1 с входным отверстием 2 для перекиси водорода и выходным отверстием 3 для продуктов реакции (смесь кислорода и пара), носитель в виде пористого металлического слоя 4, слой нитрида титана 5, слой оксидного катализатора 6.
x
1-x
2
6
х
1-x
2
6
3+
2+
3+
2+
Устройство готовят следующим образом: первый слой готовят по известному методу из пористого титанового носителя, который обезжиривают, травят в серной кислоте с концентрацией 800 г/л при 90°С. Затем промывают, высушивают и помещают в печь с протоком азота со скоростью 3 л/мин. Поднимают температуру до 800°С со скоростью 10-12°С в минуту и выдерживают в потоке азота 50-60 минут (Корнилов И.И. Титан изд. Наука, М., 1975 г). На поверхности пористого носителя 1 образуется второй слой из нитрида титана TiN. Далее на образованный поверхностный слой нитрида титана известным методом последовательной пропитки водным раствором азотнокислых солей соответствующих металлов (Мухленов И.П. Общая химическая технология, изд. Высшая школа, М., 1977) наносится третий активный слой оксидного катализатора состава A B NiCoО, где А  - редкоземельный элемент, B  - щелочноземельный элемент, Ni - никель, СО - кобальт, О - кислород, при мольной доле, равной 0,1.
Устройство работает следующим образом:
2
2
2
2
Приготовленное изделие помещается в корпус и заливается раствором перекиси водорода (Т=20°С), Через 5,10,20,30, 60, 90 минут замеряется остаточная концентрация перекиси водорода (г/л) в процессе выделения кислорода (НО -> НО + 1/2 О) си последующим определением скорости процесса получения кислорода при разложении перекиси водорода.
Пример
0,1
0,9
2
0,1
0,9
2
6
2
Испытание предлагаемого устройства проводили с использованием промышленного 40% раствора перекиси водорода в количестве 10 мл и 0,4 г оксидного катализатора состава NdSrNiCоО и состава DyCdNiCoО, а также катализатора, согласно прототипу, МnO со связующим из портландцемента, помещенных в отдельные емкости с отводами для образующегося кислорода. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1.Определение скорости и длительности процесса получения кислородаиз перекиси водорода
Состав катализатора
5 мин
10 мин
20 мин
30 мин
60 мин
90 мин
120 мин
180 мин
210 мин
240 мин
рН
Первая заливка 40% перекиси водорода - остаточная концентрация перекиси водорода
Nd<sub>x</sub>Sr<sub>1-х</sub>NiCo<sub>2</sub>O<sub>6</sub>
32
25
8
3
0,05
-
-
-
-
-
5,5
Dy<sub>0,1</sub>Cd<sub>0,9</sub>NiCo<sub>2</sub>O<sub>6</sub>
26
16
6
2,3
0,05
-
-
-
-
-
5,5
МnO<sub>2</sub> прототип
36
29
18
10
6,2
2,0
1,6
0,5
-
-
5,5
Вторая заливка 40% перекиси водорода
Состав катализатора
5 мин
10 мин
20 мин
30 мин
60 мин
90 мин
120 мин
180 мин
210 мин
240 мин
рН
Nd<sub>х</sub>Sr<sub>1-х</sub>NiCo<sub>2</sub>O<sub>6</sub>
33
25
11
6
2
0,8
0,05
-
-
-
5,5
Dy<sub>0,1</sub>Cd<sub>0,9</sub>NiCo<sub>2</sub>O<sub>6</sub>
26
16
6,3
4,8
1,6
0,7
0,05
-
-
-
5,5
МnO<sub>2</sub> прототип
36
30
22
16
9,6
5,0
3,2
2,0
1,1
0,6
5,7
Третья заливка 40% перекиси водорода
Состав катализатора
5 мин
10 мин
20 мин
30 мин
60 мин
90 мин
120 мин
180 мин
210 мин
240 мин
рН
Nd<sub>0,1</sub>Sr<sub>10,9</sub>NiCo<sub>2</sub>О<sub>6</sub>
33
29
13
7
2,6
1,1
0,4
0,10
-
-
5,5
Dy<sub>0,1</sub>Cd<sub>0,9</sub>NiCo<sub>2</sub>O<sub>6</sub>
26
17
7,8
4,6
2,1
0,8
0,2
0,08
-
-
5,5
МnО<sub>2</sub> прототип
37
30
24
19
10,3
5,4
3,8
2,9
0,90
-
6,1
При пятикратном измерении доверительный интервал (Р≤99) составляет 0,015, относительная погрешность измерений 0,04%.
Как видно из таблицы 1, предлагаемое устройство для получения кислорода из перекиси водорода осуществляет процесс разложения кислорода до минимальной величины через 60 минут работы, в то время как устройство-прототип делает это через 180 минут. При этом общее время работы предлагаемого устройства без снижения эффективности процесса получения кислорода составляет 18 часов, для устройства прототипа - 6 часов.
В таблице 2 представлены результаты испытаний коррозионной стойкости предлагаемого технического решения и прототипа известным весовым методом (Рябухин А.Г. Коррозионные свойства пористых электродов, изд. КМИ, Челябинск, 1976)
Таблица 2Скорость коррозии пористого металлического носителя (г)
№ образца
Начальный вес, г
Конечный вес, г
Привес, г
Привес, %
Носитель - предлагаемое техническое решение Ti-TiN-Dy<sub>0,1</sub>Cd<sub>0,9</sub> NiСо<sub>2</sub>О<sub>6</sub>
1
0,3868
0,3865
-0,0003
-0,09
2
0,4122
0,4117
-0,0005
-0,012
3
0,4334
0,4332
-0,0002
-0,05
2
Прототип    NiO-MnO
1
0,4413
0,4422
+0,0009
+0,21
2
0,4016
0,4024
+0,0008
+0,18
3
0,3993
0,3999
+0,0006
+0,15
Как видно из таблицы 2 скорость коррозии при использовании предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом на порядок ниже.
Таким образом, использование нового технического решения показывает стабильную надежную работу устройства и больший, чем в три раза. ресурс работы устройства и большую (более, чем в три раза) производительность по кислороду.
Полезная модель может быть использована:
- в системах жизнеобеспечения подводных, подземных и наземных гермообъектов различного назначения;
- в строительстве для производства пористого бетона и резины;
- в хлебопекарной промышленности для получения качественной продукции;
- при очистке промышленных и других сточных вод.