МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ НОСИТЕЛЬ ДЛЯ КАТАЛИЗАТОРА

Полезная модель относится к области гетерогенного катализа и каталитических микрореакторов и направлена на получение носителей из нержавеющей стали с развитой пористой поверхностью, служащей для закрепления катализатора.
Основной проблемой, которую необходимо решить при проведении эндо- и экзотермических каталитических реакций, является увеличение значений массо- и теплопереноса. Решением проблемы может быть нанесение слоя катализатора на металлический носитель, обладающий высокой теплопроводностью. При этом слой катализатора должен быть довольно тонким, чтобы массоперенос реагентов в ходе реакции не был лимитирующей стадией.
Данная проблема решается в каталитических микрореакторах, где введение катализатора в каналы субмиллиметровых размеров обеспечивает большое соотношение «поверхность/объем» микроканалов, необходимое для протекания реакции число соударений реагирующих молекул со стенками микрореактора в единицу времени и очень высокие скорости массо- и теплопереноса - на 1-2 порядка выше, чем в системах с закрепленным слоем катализатора.
Закрепление катализатора на стенках микроканалов обычно достигается естественной адгезией материала катализатора, либо введением в состав катализатора связующего компонента, который обеспечивает контакт частиц катализатора со стенкой канала. Такие способы просты и являются универсальными, однако обладают рядом недостатков. Не всегда катализатор обладает достаточно прочной адгезией к металлической (как правило) поверхности микроканала, а введение связующего уменьшает массовую долю полезного компонента катализатора. Более того, при термоциклировании, из-за разности температурных коэффициентов расширения металла и материала катализатора происходит отслаивание катализатора и забивание каналов микрореактора в ходе проведения реакции.
Для того, чтобы эффективно закреплять катализатор на поверхности металла, необходимо создать на этой поверхности шероховатости и поры достаточного размера. Этого можно добиться при помощи химического и электрохимического травления металла (Я.В.Вайнер, М.А.Адасян. Технология электрохимических покрытий, Машгиз, 1962; С.Я.Грилихес. Обезжиривание, травление и полирование металлов, Ленинград, Машиностроение, 1977).
На поверхности нержавеющей стали, которая, в основном применяется для изготовления микрореакторов, присутствуют различные дефекты и неоднородности, которые часто являются центрами травления при определенных условиях - температуре, составе электролита и плотности тока. Распространенными микроструктурами в легированных сталях являются мартенситные структуры и границы бывшего аустенитного зерна.
В работе (Милютинская С.Н., Торопцева Е.Л., Салтыков С.Н. Методика выявления границ бывшего аустенитного зерна и структуры стали 9Х2МФ электрохимическим травлением, Всероссийская научно-техническая конференция «Современная металлургия начала нового тысячелетия», 2001, Интернет-конференция «Современная металлургия» http://elcomet.narod.ru/mved/mved_2.htm) показано, что подбором электролита и потенциала рабочей поверхности возможно четкое раздельное выявление как мартенситной структуры легированной, так и границ бывшего аустенитного зерна.
Известен способ химического травления стали (SU 905328, C 23 F 1/00, 15.02.82), содержащий хлорное железо, бутиловый спирт и различные хлорсодержащие органические растворители - четыреххлористый углерод, гексахлорэтан, тетрахлорэтилен, процесс идет при температуре выше 50°С.
Известен способ (С.Я.Грилихес. Обезжиривание, травление и полирование металлов, Ленинград, Машиностроение, 1977), который описывает способ электрохимического травления легированных сталей в растворах неорганических солей, где подвергаемый травлению образец является анодом.
Недостатком описанных методов химического и электрохимического травления легированных сталей является то, что они направлены либо на выявление микроструктуры стали, либо на полирование поверхности стали, а не на формирование пористой структуры поверхности, необходимой для закрепления катализатора.
Настоящее изобретение решает задачу формирования на поверхности стали системы пор определенного размера и формы с помощью электрохимического травления.
Нами было обнаружено, что при определенных условиях: температуре, составе электролита, плотности тока и времени травления на поверхности легированной стали марки 12Х18Н10Т образуются ямки травления каплевидной формы (Фиг.).
2
Верхняя кромка ямки имеет округлую форму диаметром 0,1-0,4 мм. По мере заглубления в металл поперечный размер ямки увеличивается. Это происходит вследствие подтравливания стенок ямки. В итоге были получены пластины с поверхностной плотностью ямок 250-350 шт/см.
Размеры полученных ямок являются оптимальными для закрепления в них катализатора - при меньшем диаметре верхней кромки внешняя доступная для реагентов поверхность катализатора оказывается слишком малой, а при большем диаметре не достигается эффективной прочности сцепления катализатора с поверхностью - порошок катализатора просто высыпается из больших ямок.
Поверхностная плотность ямок пропорционально связана с количеством нанесенного катализатора, однако при слишком большой плотности ямки начинают сливаться между собой, приводя к ухудшению закрепления катализатора.
Предложено два варианта способа приготовления металлического носителя при помощи анодного электрохимического травления
Первый вариант.
2
Металлический носитель готовят при помощи анодного электрохимического травления в растворе хлорида железа с концентрацией не выше 200 г/л при плотности тока 21-50 А/дм.
Травление ведут при температуре электролита 20-45°С.
Второй вариант.
2
Металлический носитель готовят при помощи анодного электрохимического травления в растворе хлорида натрия с концентрацией не выше 200 г/л при плотности тока 11-25 А/дм и в раствор хлорида натрия добавляют серную кислоту,
Концентрация серной кислоты составляет 5-60 г/л.
Травление ведут при температуре 5-19°С.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами
Первый вариант.
Пример 1.
3
2
2
Круглую пластину из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т диаметром 30 мм и толщиной 0.35 мм подвергают анодному электрохимическому травлению (постоянный ток, свинцовые катоды) в электролите состава: FeСl - 200 г/л, при постоянном перемешивании, температуре 20-30°С и анодной плотности тока 40 А/дм. Время травления составляет 10 мин. В результате на поверхности пластины образуются ямки травления каплевидной формы (Фиг.) с диаметром входного отверстия 0.12-0.14 мм, внутренним диаметром 0.14-0.17 мм. Поверхностная плотность ямок составила 275 шт/см.
Пример 2.
3
2
2
Круглую пластину из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т диаметром 30 мм и толщиной 0.35 мм подвергают анодному электрохимическому травлению (постоянный ток, свинцовые катоды) в электролите состава: FeCl - 200 г/л, при постоянном перемешивании, температуре 20-30°С и анодной плотности тока 25 А/дм. Время травления составляет 10 мин. В результате на поверхности пластины образуются ямки травления каплевидной формы (см. Фиг.1) с диаметром входного отверстия 0.1-0.12 мм, внутренним диаметром 0.12-0.15 мм. Поверхностная плотность ямок составила 310 шт/см.
Второй вариант.
Пример 3.
2
4
2
2
Круглую пластину из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т диаметром 30 мм и толщиной 0.35 мм подвергают анодному электрохимическому травлению (постоянный ток, свинцовые катоды) в электролите состава: NaCl - 200 г/л, HSO - 20 г/л при постоянном перемешивании, температуре 12-15°С и анодной плотности тока 14 А/дм. Время травления составляет 15 мин. В результате на поверхности пластины образуются ямки травления каплевидной формы (Фиг.) с диаметром входного отверстия 0.15-0.20 мм, внутренним диаметром 0.17-0.22 мм. Поверхностная плотность ямок составила 290 шт/см.
Пример 4.
2
4
2
Круглую пластину из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т диаметром 30 мм и толщиной 0.35 мм подвергают анодному электрохимическому травлению (постоянный ток, свинцовые катоды) в электролите состава: NaCl - 200 г/л, НSO - 20 г/л при постоянном перемешивании, температуре 12-15°С и анодной плотности тока 24 А/дм. Время травления составляет 15 мин. В результате на поверхности
2
пластины образуются ямки травления каплевидной формы (Фиг.) с диаметром входного отверстия 0.2-0.25 мм, внутренним диаметром 0.22-0.27 мм. Поверхностная плотность ямок составила 325 шт/см.
Таким образом, как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ позволяет получить развитую пористую структуру поверхности нержавеющей стали, служащей для закрепления катализатора. Предлагаемые металлические носители могут найти широкое применение в каталитических микрореакторах.