Определение активности и селективности катализаторов при окислении компонентов выхлопных газов автотранспорта

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты исследования по изготовлению селективного термокаталитического сенсора для непрерывного автоматического определения оксида углерода и углеводородов в присутствии диоксида углерода, оксидов азота, серы, паров воды и водорода.

ABSTARCT

The results of research on the manufacture of a selective thermocatalytic sensor for continuous automatic determination of carbon monoxide and hydrocarbons in the presence of carbon dioxide, nitrogen oxides, sulfur, water vapor and hydrogen are presented.

Ключевые слова: термокаталитический сенсор, оксид углерода, диоксид углерода, оксиды азота, сера, пары воды, водород, катализатор.

Keywords: thermocatalytic sensor, carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen oxides, sulfur, water vapor, hydrogen, catalyst.

С целью изготовления селективного термокаталитического сенсора для непрерывного автоматического определения оксида углерода и углеводородов (паров бензина, реактивного топлива, природного газа и др.) в присутствии диоксида углерода, оксидов азота, серы, паров воды и водорода были установлены закономерности окисления этих веществ в присутствии различных по природе и концентрации катализаторов.

Эксперименты проводились на установке проточного типа со стационарным слоем катализатора [1], схема которого приведена на рис.1.

Основными узлами установки являются: реактор с катализатором (1), устройство для ввода горючих газов (2), пробоотборники, газовый хроматограф.  Реактор представляет собой трубку из термостойкого стекла, снабженную электрообогревателем (3). Температура в реакторе регулировалась терморегулятором (4) с точностью1,0 ⁰С. Контроль за изменением температуры осуществляли при помощи термопары, подключенной к милливольтметру (5). При проведении опытов газовоздушная смесь из баллона (6) через реометр (7) поступала в реактор (1).

Пройдя через находящийся в реакторе слой катализатора, реакционная смесь попадает в пробоотборник (8), откуда периодически с помощью крана - дозатора определенная порция реакционной смеси направляется в хроматографическую колонку. Газ-носитель из баллона (9), пройдя через тонкий регулятор (10) и блок подготовки газа (БПГ) (11), кран дозатора попадает в хроматографическую колонку (12). При вводе пробы поток газа-носителя пройдя, через петлю крана – дозатора, отбирает с собой определенную порцию газовоздушной смеси.

Рисунок 1. Схема установки каталитического окисления горючих веществ

1 - реактор с катализатором; 2 – дозатор паров бензина; 3 - электропечь;  4-ЛАТР, 5 - милливольтметр; 6,9 - баллоны; 7-реометр; 8-дозатор хроматографа; 10 - кран тонкой регулировки; 11 - блок подготовки газов; 12 - хроматограф; 13 - термостат; 14 – кран дозатора; 15 - регистрирующее устройство КСП - 4.

Контроль за степенью окисления горючего компонента осуществляется снятием хроматограммы смеси до и после прохождения слоя катализатора.

Хроматографирование смеси (оксида углерода, водорода и метана с воздухом) осуществляется в следующих условиях: детектор термокаталитический, температура детектора и колонок – комнатная, скорость потока газа-носителя 1,5 – 3,5 л/час (в зависимости от состава газовоздушной смеси), колонка длиной 1,5 – 3,0 м, с внутренним диаметром 3 мм, заполненная активированным углем. Количественное содержание отдельных компонентов в смеси определяют по заранее построенному градуировочному графику.

При контроле процессов окисления углеводородов использован хроматограф ЛХМ-8МД с ионизационно – пламенным детектором. Условия хроматографирования продуктов окисления бензина и дизельного топлива следующие: колонка длиной 1 м с внутренних диаметров 3 мм, заполненная 5 %- ным апиезоном-L на хроматоне, температура колонки 150-200⁰С, газоноситель – азот, скорость газа-носителя 50 мл/мин.

Дополнительный контроль за окислением углеводородов осуществляли определением диоксида углерода в полученных в реакции продуктах. Определение концентрации диоксида углерода проводилось титриметрическим методом с потенциометрической индикацией конечной точки титрования (КТТ). В качестве поглотительной смеси использовали раствор, содержащий гидрооксид бария (24 мл 0,4 М), изопропиловый спирт (6 мл) и дистиллированную воду (100 мл).

Непрореагировавший гидрооксид бария титровали 0,2 н раствором хлористоводородной кислоты, титр которой, уточняли по тетраборату натрия.

По разности значений двух титрований (до и после пропускания газовой смеси СО₂) определяли ΔV (мл) 0,2н раствором хлористоводородной кислоты, затем по полученным данным рассчитывали массу диоксида углерода, образовавшуюся при окислении паров углеводородов бензина и др. Массу диоксида углерода рассчитывали по формуле:

,

где N_HCl – нормальность раствора хлористоводородной кислоты;

ΔV_HCl – разность объемов раствора хлористоводородной кислоты, пошедшей на титрование холостого опыта и непрореагировавшего гидрооксида бария, мл.

– молекулярная масса диоксида углерода.

В качестве «введенной массы» диоксида углерода приняли массу диоксида углерода, ожидаемую при условии количественного (100%) окисления паров углеводородов.

По величине найденного коэффициента судили об активности катализатора. При выборе катализатора для окисления углеводородных топлив исследования проводили с использованием природного метанового газа (2 об.% воздуха) и автомобильного бензина (АИ-92).

За критерий пригодности катализатора для создания чувствительного элемента термокаталитического сенсора выбрали полноту окисления углеводородов. Учитывая, что она зависит от состава, температуры, концентрации реагирующих веществ, соотношения компонентов (топливо-кислород) в газовой смеси, пропускаемой через реактор, причем нами также были исследовано влияние этих факторов на окисляемость компонентов смеси.

Вышеперечисленным требованиям, удовлетворяют катализаторы на основе металлов платиновой группы, нанесенные в тонкодисперсной форме на носитель оксида алюминия или смешанные системы из металлов платиновой группы и их оксидов.

Список литературы:

1. Абдурахманов Э., Даминов Г., Султанов М. Метрологические характеристики сенсора контроля оксида углерода из состава транспортных выбросов. //Текущие проблемы аналитической химии и экологии: Материалы II Республиканской научно-практической конференции.- Самарканд, 2006. – С. 125 - 126.
2. Даминов Г., Султанов М., Абдурахманов Э., Каримова Ф. Селективный химический сенсор для мониторинга паров бензина и дизельного топлива из состава выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания.//Журн. Химическая промышленность. - Санкт-Петербург, 2007. -Т.84.- № 6.-С.317-320.