Введение к работе
Актуальность темы: Платиновые гидрофобные катализаторы изотопного обмена водорода с водой позволяют весьма эффективно решать ряд задач разделения изотопов водорода: депротизация и детритизация замедлителя в тяжеловодных атомных реакторах, переработка дейтерий и тритийсодержащих отходов, очистка от трития небольших (100-200 л/ч) водных потоков и некоторых других специальных задач. Гидрофобный платиновый катализатор РХТУ-ЗСМ, как показали проведенные испытания, может быть успешно использован не только при решении перечисленных выше задач, но и весьма эффективен в процессе низкотемпературного (25-80С) окисления водорода, который рассматривается в водородной энергетике, как источник низкопотенциального тепла. Очевидно, что развитие атомной и водородной энергетики приведет к увеличению масштаба решаемых задач, поэтому поиск пути замены платины или уменьшения содержания платины в гидрофобных катализаторах, при сохранении их эффективности представляется целесообразным и своевременным. Цель работы: разработка бикомпонентных гидрофобных катализаторов изотопного обмена водорода с водой и окисления водорода с пониженным содержанием платины при сохранении их эффективности и ресурса работы. Для достижения поставленной цели было необходимо: 1)разработать способ приготовления палладиевых катализаторов на гидрофобном носителе СП-30, обладающих каталитической активностью, сопоставимой с активностью платиновых катализаторов в одинаковых или близких условиях эксплуатации; 2)определить массообменные характеристики полученных образцов палладиевых катализаторов; 3)получить двухкомпонентные катализаторы и определить их каталитическую активность; 4)определить оптимальные условия эксплуатации и ресурс работы гидрофобных катализаторов в каталитическом конверторе водорода Научная новизна работы:
Найдено, что в области малого содержания ([Ме]<0,1 масс.%) металлов каталитическая активность однокомпонентных платиновых и палладиевых катализаторов совпадает в пределах ошибки опыта. Обнаружено также, что нанесение наночастиц металла, стабилизированных в пропитывающем растворе, позволяет
получать катализаторы активность, которых в 2-4 раза выше активности катализаторов, полученных традиционным способом.
Исследовано влияние состава пропитывающего раствора на каталитическую активность гидрофобных палладиевых катализаторов и определены условия, позволяющие получать Pd катализаторы, каталитическая активность которых сопоставима с активностью гидрофобного платинового катализатора РХТУ-ЗСМ.
Установлено, что значение каталитической активности бикомпонентных (Pt-Cu и Pt-Pd) катализаторов ниже, чем у однокомпонентньгх Pt катализаторов (при фиксированном содержании Pt). Наблюдаемый эффект обусловлен, по-видимому, неоднородностью поверхности гидрофобного носителя и миграцией атомов металла в процессе восстановления, приводящей к конкуренции атомов Pt,Cu и Pd за одни и те же места посадки и образованию ими поверхностных интерметаллидов смешанного состава. Практическая значимость работы:
Разработан способ получения гидрофобного палладиевого катализатора, каталитическая активность которого достаточна для использования в процессе разделения изотопов водорода методом химического изотопного обмена водорода с водой (величина высоты эквивалентная теоретической ступени (ВЭТС) составила 12±2 см (Т=333 К, U=0.1m/c) (для Pt катализатора РХТУ-ЗСМ величина ВЭТС составляет 8±2 см при тех же условиях (Т=333 К, U=0.1м/с)
Предложена физико-химическая модель и критерии оценки эффективности процесса низкотемпературного окисления водорода (в качестве критерия эффективности предложена величина удельной нагрузки Gyjl=Gmax/m, где Gmax-noTOK водорода, при котором содержание водорода в уходящем газе не превышает 2-3 ррт; т- массовая доля металла в катализаторе) и экспериментально изучены условия, влияющие на этот параметр.
Получен двухкомпонентный (Pt-Pd) катализатор низкотемпературного окисления водорода, в котором содержание Pt в два раза ниже, чем для однокомпонентного платинового катализатора при одинаковой Gyjl по водороду.
Найдены условия, обеспечивающие стабильный и надежный режим работы разработанных гидрофобных платиновых и палладиевых катализаторов в процессе
низкотемпературного окисления водорода, при этом не происходит снижения ресурса работы катализаторов (в течение более чем 100 часов).
Предложена схема загрузки катализатора, позволившая достигнуть в опытно-промышленной установке на ПО МАЯК расхода водорода 3 м /ч на 1 литр катализатора (испытания продолжались непрерывно в течение 25 часов).
Апробация работы: основные материалы работы были представлены на IV и V международных конгрессах молодых ученых по химии и химической«МКХТ-2008» (Москва - 2008) и «МКХТ-2009» (Москва - 2009), , на XIII международной научной конференции Физико-Химические Процессы При Селекции Атомов и Молекул (г. Звенигород (Ершово)-2009), на II конкурсе молодых исследователей "Наноматериалы для водородной энергетики" (Москва - 2008). Объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка
литературы. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит
таблиц и рисунков. Список литературы включает наименование.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 4 работы, в том числе тезисы 3 докладов, 1 статья в рецензируемом научном журнале.
