Введение к работе
_Актуальность_п2дблемы^ Основным промышленным способом переработки природного газа, главной составляющей которого является метан, служит его окислительная конверсия. Особенность данного процесса заключается в том, что образующийся в реакции углерод накапливается на поверхности катализаторов, что приводит к их дезактивации. Решение этой проблемы для катализаторов окислительной конверсии метана предлагается в создании условий, предотвращающих образование углерода. Однако, возможен другой способ переработки метана - его разложение до водорода и углерода. Способ отличается экологической чистотой и позволяет получать наряду с водородом ценный продукт-углерод. Наиболее активными катализаторами разложения метана являются железо и никель, но никелевые катализаторы активны при более низких температурах.
Известно, что в определенных условиях при разложении метана образуется углерод специфической волокнистой структуры ( далее КВУ ), причем, если железо трансформируется в карбиды разного состава в процессе образования углерода, то никелевые катализаторы позволяют получать только КВУ.
Поэтому, разработка и изучение никелевых катализаторов, стабильных к зауглероживанию ( углеродоемких ), т.е. способных накапливать максимально возможное количество углерода, не теряя при этом своей активности в реакции разложения метана, представляют как научный так и практический интерес и являются актуальными.
35ью_>абдты является изучение структуры углеродоемких никелевых катализаторов низкотемпературного разложения метана и образования КВУ и факторов, влияющих на ее формирование.
_Мзу.НЙ&5_и2!35Н^^ Изучено влияние способов приготовления катализаторов, химической природы носителя и содержания активного компонента - никеля на формирование структуры катализаторов на последовательных стадиях синтеза и на их стабильность к зауглероживанию. Установлено, что необходимыми факторами формирования углеродоемких катализаторов являются высокое содержание никеля в системе Ni-TBO, и ТВО-трудновосстанавливаемый оксид определенного типа. Детально исследовано состояние высокопроцентных ( выше 50 масс '/, никеля ) никельалюминиеяых катализаторов на всех этапах
приготовления и в условиях реакции. Предложены модели структуры Ni-Al катализаторов с различным содержанием никеля. Отмечено, что ТВО служит не только диспергатором, но и структурным промотором для никеля. Установлена природа активного центра реакции разложения метана и роста КВУ (ЦАР) и исследован механизм его формирования. Образование ЦАР зависит от кристаллографического состояния никеля и типа структурного взаимодействия фазы активного компонента и ТВО в восстановленном катализаторе. Показана возможность варьирования ЦАР путем введения модифицирующих добавок в катализаторы, а также с использованием окислительно- восстановительной обработки, что приводит к значительному увеличению углеро-доемкости катализаторов. Полученные данные позволили целенаправленно использовать КВУ в качестве носителя никелевых катализаторов низкотемпературного разложения метана.
_Практическая_ценность^ Использование высокопроцентных никелевых катализаторов позволяет получать новый мезопористый углеродный материал высокой степени чистоты ( до 99,9% ). Полученные данные позволяют целенаправленно регулировать структуру катализаторов и, соответственно, характеристики получаемого углерода. Показаны свойства КВУ как адсорбента ряда веществ в области ультрамалых концентраций, а также как носителя катализаторов реакции низкотемпературного разложения метана и реакции детоксикации хлорароматичес-ких соединений. Отмечена возможность использования КВУ в качестве компонента углерод-углеродных композитов.
_Ап2обация_аботы^ Результаты работы докладывались на 8-ом Советско-Французском семинаре по катализу (Новосибирск,1990), на 1- ом Российско-Японском симпозиуме по нефти, газу и нефтехимии (Южно-Сахалинск, 1993), 4-ой Европейской Конференции-Выставке по материалам и технологиям "Восток-Запад" (Санкт -Петербург, 1993), 24 Международной Выставке-Конференции по Химической Инженерии и Биотехнологии (Франкфурт на Майне, ФРГ, 1994), 4-ом семенаре по адсорбции и жидкостной хроматографии макромолекул (Омск, 1994), 6-ом Международном Симпозиуме по научным основам приготовления гетерогенных катализаторов (Louvain-la-Heuve, Бельгия, 1994).
_Публикацми По результатам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 1 патент и 2 авторских заявки.
_С1ЕУЛ51УВ_и_объем_работы. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитируемой литературы. Объем диссертации
составляет 142 стр. и включает в себя 14 таблиц и 34 рисунка, библиографию из 141 наименования.
__0йИ_Е2а5_(литеРатУРнь,й обзор) рассмотрены условия проведения реакции низкотемпературного разложения метана и основные типы используемых катализаторов, а также структура образующегося углерода, условия и особенности роста КВУ. Bo_gJgE2E_E5S описаны используемые реагенты, катализаторы и методики их приготовления, методика исследования стабильности катализаторов к зауглероживанию, методы исследования структура и текстуры катализаторов и образующегося углерода. В_главе_3 представлены и обсуждены результаты по влиянию различных факторов на стабильность катализаторов к зауглероживанию. В_главе_4 рассмотрена структура высокопроцентных никельалюминиевых и модифицированных никельалюминиевых катализаторов и ее влияние на формирование активных центров разложения метана и отложения углерода, а также влияние окислительно-восстановительной обработки катализаторов на их стабильность к зауглероживанию. В_пятой_главе описана текстура, структура и морфология КВУ и приведены примеры его практического использования.