ПРИГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ КЕРАМИЧЕСКОГО МЕМБРАННОГО РЕАКТОРА ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ СЕРОВОДОРОДА

В статье исследовалась серия керамических мембранных катализаторов на основе оксида алюминия различного состава для реакции высокотемпературного разложения сероводорода. Использовались два типа каталитических мембран слоистой структуры: первый тип включал слой катализатора, носитель мембраны и мембранный слой, а второй – слой катализатора, носитель мембраны, промежуточный слой и мембранный слой. В статье приведены физико-химические характеристики (пористая структура, удельная поверхность, фазовый состав) носителя мембраны и мембранного слоя, прокаленных при различной температуре. Детально описана методика приготовления мембранных реакторов различной структуры. Приведены данные по исследованию проницаемости мембранных реакторов по H₂ и H₂S. Описаны результаты испытаний приготовленных мембран в реакции разложения H₂S в диапазоне температур 600–900 ºС. Показано, что введение добавок La₂O₃ в состав мембранного слоя приводит к увеличению термической стабильности мембраны. Эффективный диаметр пор мембранного слоя состава 5%La₂O₃-γ-Al₂O₃, прокаленного при 900 ºС, был в три раза меньше, чем немодифицированного γ-Al₂O₃. Кроме того, в составе модифицированного мембранного слоя наблюдалось только присутствие фазы γ-Al₂O₃, а в немодифицированном образце наблюдалось образование фазы δ-Al₂O₃. Показано, что пористая структура и толщина мембранного слоя значительно влияют на проницаемость H₂ и H₂S. В результате того, что отношение коэффициентов проницаемости H2/H2S больше 2,5, наблюдалось значительное улучшение каталитической активности в реакции разложения H₂S по сравнению с гранулированным катализатором. Введение в состав мембраны промежуточного слоя, отличающегося от мембранного слоя эффективным диаметром пор, привело к существенному увеличению степени превращения H₂S. Показано, что мембранный реактор, содержащий в своем составе мембранный слой толщиной 6 мкм с эффективным диаметром пор 45 Å и промежуточный слой толщиной 9 мкм с диаметром пор 110 Å, демонстрировал максимальную эффективность в реакции разложения сероводорода. Степень превращения H₂S достигала 70 % при 900 ºС на мембранном катализаторе оптимального состава.

1. Palma, V. H2 production by thermal decomposition of H2S in the presence of oxygen [Text] / V. Palma [et al.] // Int. J. Hydrog. Energy. – 2015. – Vol. 40. – No 1. – P. 106–113.

2. Gao, B. Study on H2S monitoring technique for high risk wellsite [Text] / B. Gao, X. Han, H. Zhang // 2012 Int. Symp. Saf. Sci. Technol. – 2012. – Vol. 45. – P. 898–903.

3. Clark, P.D. Chemistry of organosulphur compound types occurring in heavy oil sands [Text] / P.D. Clark, J.B. Hyne, J.D. Tyrer // Fuel. – 1983. – Vol. 62. – No 8. – P. 959–962.

4. Mohit, N. Desulphurization of coke oven gas [Text] / N. Mohit et al. // Int J Sci Res Rev. – 2013. – Vol. 2. – No 1. – P. 13–22.

5. Stanek, J. Hydrogen sulfide: Integrative analysis of acute toxicity data for estimating human health risk / J. Stanek [et al.]. – Encyclopedia of Environmental Health, Elsevier, 2011. – P. 124–139.

6. Clark, P.D. Production of H2 from catalytic partial oxidation of H2S in a short-contact-time reactor [Text] / P.D. Clark, N.I. Dowling, M. Huang // Catal. Commun. – 2004. – Vol. 5. – No 12. – P. 743–747.

7. Batygina, M.V. Studies of supported oxide catalysts in the direct selective oxidation of hydrogen sulfide [Text] / M.V. Batygina [et al.] // Reac Kinet Catal Lett. – 1992. – Vol. 48. – No 1. – P. 55–63.

8. Ismagilov, Z.R. Direct selective catalytic oxidation of H2S / Z.R. Ismagilov, M.A. Kerzhentsev // Technol. Int. – 1994. – No Quarterly, Winter Issue. – P. 56–64.

9. Исмагилов, З.Р. Одностадийные каталитические методы очистки кислых газов от сероводорода [Текст] / З.Р. Исмагилов [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. – 1999. – Т. 7. – № 4. – P. 375–396.

10. Manenti, F. Revised kinetic scheme for thermal furnace of sulfur recovery units [Text] / F. Manenti, D. Papasidero, E. Ranzi // Chem. Eng. Trans. – 2013. – Vol. 32. – P. 1185–1290.

11. Zaman, J. Production of hydrogen and sulfur from hydrogen sulfide [Text] / J. Zaman, A. Chakma // Fuel Process. Technol. – 1995. – Vol. 41. – No 2. – P. 159–198.

12. Galuszka, J. Membrane-assisted catalytic cracking of hydrogen sulphide (H2S) [Text] / J. Galuszhka [et al.]. – Membrane Reactors for Hydrogen Production Processes / Ed. De De Falco M., Marrelli L., Iaquaniello G. London: Springer London, 2011. – P. 161–182.

13. Reverberi, A.P. A review on hydrogen production from hydrogen sulphide by chemical and photochemical methods [Text] / A.P. Reverberi [et al.] // J. Clean. Prod. – 2016. – Vol. 136. – P. 72–80.

14. Reshetenko, T. Study of the reaction of hightemperature H2S decomposition on metal oxides (γ- Al2O3,α-Fe2O3,V2O5) [Text] / T. Reshetenko et al. // Int. J. Hydrog. Energy. – 2002. – Vol. 27. – No 4. – P. 387–394.

15. Kaloidas, V. Hydrogen production from the decomposition of hydrogen sulphide. Equilibrium studies on the system H2S/H2/Si, (i = 1,…,8) in the gas phase [Text] / V. Kaloidas, N. Papayannakos // Int. J. Hydrog. Energy. – 1987. – Vol. 12. – No 6. – P. 403–409.

16. Zaman, J. A simulation study on the thermal decomposition of hydrogen sulfide in a membrane reactor [Text] / J. Zaman [et al.] // Int. J. Hydrog. Energy. – 1995. – Vol. 20. – No 1. – P. 21–28.

17. Badra, C. Porous membrane reactors for hydrogen sulfide splitting [Text] / C. Badra // Int. J. Hydrog. Energy. – 1995. – Vol. 20. – No 9. – P. 717–721.

18. Kameyama, T. Production of hydrogen from hydrogen sulfide by means of selective diffusion membranes [Text] / T. Kameyama [et al.] // Int. J. Hydrog. Energy. – 1983. – Vol. 8. – No 1. – P. 5–13.

19. Fukuda, K. Catalytic decomposition of hydrogen sulfide [Text] / K. Fukuda [et al.] // Ind. Eng. Chem. Fundam. – 1978. – Vol. 17. – No 4. – P. 243–248.

20. Sugioka, M. A possible mechanism for catalytic decomposition of hydrogen sulfide over molybdenum disulfide [Text] / M. Sugioka, K. Aomura // Int. J. Hydrog. Energy. – 1984. – Vol. 9. – No 11. – P. 891–894.

21. Kaloidas, V.E. Kinetic studies on the catalytic decomposition of hydrogen sulfide in a tubular reactor [Text] / V.E. Kaloidas, N.G. Papayannakos // Ind. Eng. Chem. Res. – 1991. – Vol. 30. – No 2. – P. 345–351.

22. Ismagilov, Z.R. Development of Fe-based catalysts for purification of coke oven gases [Text] / Z.R. Ismagilov [et al.]. – Book of abstracts, Paris, 2004. – Vol. 1. – P. 301.

23. Podyacheva O.Y. Study of Fe-based catalysts in the purification of coke oven gases [Text] / O.Yu. Podyacheva [et al.] // Eurasian Chem.-Technol. J. – 2005. – Vol. 7. – P. 3–4.

24. Yumura, M. Hydrogen sulphide adsorption and decomposition in the presence of manganese nodules [Text] / M. Yumura, E. Furimsky // Appl. Catal. – 1985. – Vol. 16. – No 2. – P. 157–167.

25. Peureux, J. Étude de réacteurs catalytiques à membrane. Caractérisation des transferts par mesures de perméabilité gazeuse. Application aux réactions triphasiques: Ph.D. Thesis. Lyon: Université Claude Bernard Lyon I, 1994. – 168 p.

26. Uzio D. Platinum/γ-Al2O3 catalytic membrane: preparation,morphological and catalytic characterizations [Text] / D. Uzio [et al.] // Appl. Catal. Gen. – 1993. – Vol. 96. – No 1. – P. 83–97.

27. Yoon M.-Y. Gas permeation of SiC membrane coated on multilayer γ-Al2O3 with a graded structure for H2 separation [Text] / M.-Y. Yoon [et al.] // Korean J. Mater. Res. – 2010. – Vol. 20. – No 9. – P. 451–456.