Краткий обзор наших исследований в области стекловолокнистых катализаторов

Исследование процессов массообмена в структурированных картриджах на основе микроволокнистых катализаторов


Экспериментальное исследование процессов массообмена в структурированных картриджах на основе СВК различной геометрии
  • на примере реакции глубокого окисления толуола на Pt/СВК ИК-12-С111 проведено системное сравнительное экспериментальное исследование различных геометрических типов упаковок СВК в структурированных картриджах, а также традиционных типов катализаторов;
  • показано, что структура упаковки критически важна, причем чем более активен катализатор, тем большее значение имеет структура каталитического картриджа;
  • в равных условиях наблюдаемая скорость реакции во внешнедиффузионном режиме в картриджах СВК с продольной структурой выше, чем в слоях традиционных катализаторов, а также выше, чем в упаковках СВК с проникающим поперечным течением;
  • впервые получены обобщенные эмпирические уравнения для расчета перепада давления и коэффициента массообмена в структурах СВК - разработан теоретический базис для инженерных расчетов с возможностью оптимизации и прогнозирования концентрационных и тепловых режимов работы каталитических реакторов на основе СВК
A.N.Zagoruiko, S.A.Lopatin, P.E.Mikenin, D.A.Pisarev, S.V.Zazhigalov, D.V.Baranov. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2017

Применение метода гидродинамического моделирования при разработке процессов на основе микроволокнистых катализаторов

Детальное гидродинамическое моделирование (CFD) структур на основе микроволокнистых катализаторов
Качественные и количественные результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными, что позволяет считать предложенную модель верифицированной;
  • с помощью CFD моделирования были впервые теоретически объяснено необычное экспериментально обнаруженное явление -  двустороннего обтекания каталитической ткани с ростом омываемой поверхности (до 1.7 раза) при возрастании скорости реакционного потока;
  • впервые теоретически обнаружено наличие конвективных потоков во внутреннем объеме нитей СВК.
Оба эти явления возможны только в случае гибкой ткани и принципиально не могут быть реализованы в случае традиционных твердых катализаторов.

Lopatin S. , Elyshev A. , Zagoruiko A. Chemical Engineering Research and Design. 2023
Lopatin S. , Elyshev A. , Zagoruiko A. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2024

Картриджи СВК с лемнискатными структурными элементами


Проблемы картриджей с тканными материалами:
  • Пересечения нитей, антиоптимальное распределение активного компонента
  • Большое (по массе и по цене) количество металлических структурирующих элементов
Решение: картридж с регулярной петлеобразной (лемнискатной) структурой
  • Минимальное пересечение нитей: равномерное распределение активного компонента, максимальная доступность активной поверхности для реагентов
  • Минимальное использование дополнительных структурирующих элементов: малая металлоемкость и малый вес картриджа, снижение цены
  • Высокая удельная площадь поверхности
  • Низкий перепад давления
  • Механическая стабильность в сочетании с гибкостью
С.А.Лопатин, П.Е.Микенин, Д.А.Писарев, С.В.Зажигалов, Д.В.Баранов, Катализ в промышленности, 2016

Глубокое окисление органических примесей в отходящих газах

Глубокое окисление углеводородов и СО на Pt/СВК
  • Высокая активность при низком содержании Pt (0.02-0.1%) - существенно более высокая, чем у традиционных систем с высоким содержанием платины (0.56% PT/СВК) и традиционных оксидных катализаторов;
  • Высокая термическая стойкость (до 700-800°С);
  • Отличная устойчивость к термическим и механическим нагрузкам;
  • Высокая устойчивость к соединениям серы
B.Balzhinimaev, E.Paukshtis, S.Vanag, A.Suknev, A.Zagoruiko Catalysis Today, 2010
С.А. Лопатин, П.Г. Цырульников, Ю.С. Котолевич, П.Е. Микенин, Д.А. Писарев, А.Н. Загоруйко. Катализ в промышленности, 2015
S.A.Lopatin, A.V.Elyshev, A.N.Zagoruiko, Catalysis Today, 2021

Глубокое окисление углеводородов на СВК на основе хромита меди со вторичным слоем носителя
  • Вторичный слой пористой подложки (SiO2) увеличивает площадь поверхности с 1-3 кв.м/г до 20-100 кв.м/г, что позволяет поддерживать практически любой оксид металла в значительных количествах (до 10-15% масс. );
  • Кажущаяся активность СВК, рассчитанная на единицу массы CuCr2O4, превышает активность обычных CuCrOx/Al2O3 до 20-30 раз
S.Zazhigalov, A.Elyshev, S.Lopatin, T.Larina, S.Cherepanova, P.Mikenin, D.Pisarev, D.Baranov, A.Zagoruiko. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 2017

Окисление диоксида серы


Окисление SO2 на Pt-содержащем СВК ИК-12-С111

SO2 + ½ O2 -> SO3

  • Высокая активность
  • Низкая температура «зажигания» (около 300°С), существенно ниже, чем даже у самых эффективных низкотемпературных катализаторов на основе V2O5 (360-400°С)
  • Высокая стойкость к дезактивации, в том числе при низких температурах и высоком содержании SO2 в газах (подтверждена пробегом катализатора в промышленных условиях более 900 часов)
K.Golyashova, P.Mikenin, A.Elyshev, A.Bobylev, A.Matigorov, E.Paukshtis, S.Lopatin, A.Zagoruiko. Chem. Eng. J. 2019

Восстановление NOx с помощью СО/СН на Pt-содержащих СВК

Восстановление NOx на Pt-содержащем СВК ИК-12-С111 с помощью СО и пропана:
  • Более высокая активность, чем у традиционных оксидных систем, а также, чем у СВК предыдущего поколения;
  • Стабильность, стойкость к дезактивации
Голяшова К.Е. , Елышев А.В. , Лопатин С.А. , Загоруйко А.Н. Экология и промышленность России. 2023
Golyashova K. , Glazov N. , Lopatin S. , Zagoruiko A. Catalysis Communications. 2023

Селективное окисление сероводорода в серу


Селективное окисление сероводорода на СВК на основе оксидов ванадия и железа со вторичным слоем носителя

  • Наблюдаемая активность FeOx/СВК на единицу массы Fe превышает активность эталонного катализатора Fe2O3/Al2O3 (№ 3) более чем на порядок при сопоставимой селективности окисления

P.Mikenin, S.Zazhigalov, A.Elyshev, S.Lopatin, T.Larina, S.Cherepanova, D.Pisarev, D.Baranov, A.Zagoruiko. Catalysis Communications, 2016

Ni-содержащие СВК для гидрогенолиза легких парафинов

Гидрогенолиз компонентов газового конденсата на СВК на основе никеля со вторичным слоем носителя
  • Переработка жидких компонентов газового конденсата в транспортируемый газ (метан);
  • Ni/СВК имеет существенно большую наблюдаемую активность, чем существующие Ni/Al2O3 катализаторы – возможно создание компактных реакторов;
  • Использование СВК в реверс-процессе гидрогенолиза ГК обеспечивает автотермичность процесса и минимизацию теплообменной обвязки
Zazhigalov S. , Sibaa M. , Sozonov M. , Elyshev A. , Zagoruiko A. Energy. 2025

Применение методов машинного обучения при создании и оптимизации катализаторов


На примере реакции гидрогенолиза легких парафинов на Ni-содержащих катализаторах
  • проведено обучение модели Random Forest на выборке из 469 экспериментов из 40 литературных публикаций;
  • два катализатора подтипов Ni/Al2O3 и Ni/TiO2 были синтезированы в соответствии с рекомендациями модели по оптимальным параметрам синтеза катализаторов на основе никеля;
  • эксперименты показали хорошее соответствие между прогнозируемыми и наблюдаемыми скоростями реакции, и, кроме того, эти катализаторы оказались более активными, чем все другие катализаторы на основе Ni, рассмотренные при обучении модели;
  • активность Ni/СВК (не входил в обучающую выборку) оказалась существенно выше предсказаний;
  • методы машинного обучения являются перспективным инструментом для обработки и обобщения литературных данных и больших объемов экспериментальной информации, причем эффективность этих методов растет вместе с ростом объема данных. Получаемые результаты всегда находятся в сфере существующего набора знаний и не пригодны для экстраполяции с выходом за пределы имеющихся экспериментальных массивов. Качественно новые, «прорывные», результаты (пока что) могут быть получены только при участии человека.
Sebaa M. , Motaev K. , Molokeev M. , Azarapin N. , Petrishena A. , Matigorov A. , Zagoruiko A. , Elyshev A. Catalysis Science and Technology, 2025

Ni-содержащие СВК для метанирования оксида углерода

Конверсия СО2 в метан на СВК на основе никеля со вторичным слоем носителя
  • Эффективно применен импульсный поверхностный термосинтез (ИПТ) – сверхбыстрое разложение прекурсора активного компонента (нитрат Ni), нанесенного на стеклоткань;
  • Катализатор, приготовленный методом ИПТ, показал высокую удельную активность на единицу массы никеля (~32·10-6 м3г-1с-1), которая значительно превосходит удельную активность никеля в традиционном промышленном катализаторе Ni-Al2O3 (~12·10-6 м3г-1с-1) за счет меньшего размера кристаллита никеля (менее 30 нм) по сравнению с промышленным катализатором (более 70 нм);
  • Катализатор может быть эффективно использован для метанирования оксидов углерода в системах накопления энергии для демпфирования суточных колебаний потребления электроэнергии и эффективной интеграции новых источников энергии в существующие энергосети
Mikhailov I.A. , Grigoriev M.V. , Motaev K.A. , Matigorov A.V. , Lopatin S.A. , Zagoruiko A.N. , Elyshev A.V. E-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy. 2024

Создание композита с внешним слоем нановолокнистого углерода


Многослойный композит: стекловолокна покрываются вторичным слоем SiO2, затем на него наносится никель, после чего на нем проводят пиролиз углеводородов с образованием нановолокнистого углерода
  • После карбонизации в пропан-бутане при 450°C:
  • Удельная поверхность ~ 100 м2
  • Отложение углерода: 130% массы катализатора или 65 г на грамм Ni
  • Образованный слой углерода прочно прикреплен к опоре из стекловолокна, материал механически прочен и стабилен
  • Карбонизированный образец является сильно гидрофобным
M.V.Popov, S.V.Zazhigalov, T.V.Larina, S.V.Cherepanova, A.G.Bannov, S.A.Lopatin, A.N.Zagoruiko, Catalysis for Sustainable Energy, 4, 2017
Made on
Tilda