Recubrimiento de reactores catalíticos estructurados mediante polimerización asistida por plasma de tetrametildisiloxano. - Placa de acero inoxidable

En la tecnología catalítica heterogénea industrial se utilizan tres tipos principales de reactores
reactor de lecho fluidizado
Reactor de lecho y unidad de recuperación.
Todos ellos proporcionan una gran superficie interna y un alto volumen libre, pero a pesar de estas ventajas, también existen algunas desventajas, como el bajo
Coeficiente de transferencia de calor (lecho empacado)
Erosión/desgaste del polvo catalizador (lecho fluidizado)
También debe tenerse en cuenta que (1), (2).
En comparación con el reactor industrial clásico, se espera que la tecnología de reactor caliente aporte varias ventajas a la producción química (3), (4).
Por ejemplo, en el caso de una fuerte reacción de liberación de calor, como la oxidación selectiva de hidrocarburos, el reactor de lecho empacado no permite que el calor se disipe completamente.
El punto caliente resultante es una pista de un producto objetivo de baja selectividad para la desactivación del catalizador pd/c temprano debido a los productos de composición.
Para superar estos problemas, una posible solución es utilizar un reactor estructurado con una pared catalítica recubierta (5).
Por lo tanto, el catalizador se deposita como una película (
Unas pocas micras)
Sobre paredes o estructuras metálicasmétodo de recubrimiento.
Sin embargo, una vez depositada, la película de óxido catalítico debe ser mecánica y químicamente estable y exhibir propiedades catalíticas similares al polvo correspondiente.
Hasta ahora, Al (6) o Al-
Las aleaciones como Kanthal o FeCralloy son caras.
Por tanto, si se encuentran soluciones técnicas basadas en sustratos baratos, será posible el desarrollo de reactores estructurados.
Acero inoxidable (SS)
Este es un material común para reactores (7)
Para permitir la adhesión de óxido de catalizadores similares, se deben realizar modificaciones.
Otro inconveniente es que, durante la reacción, el hierro del SS puede extenderse a la fase activa y envenenarla (8).
Ante este inconveniente un método consiste en depositar la capa de imprimación mediante tecnología de polimerización de plasma.
Aunque el método tradicional de polimerización requiere compuestos orgánicos con estructuras de polimerización, cualquier compuesto orgánico o inorgánico puede utilizarse en el marco del proceso de polimerización de plasma auxiliar.
En este caso, la polimerización se produce porque las especies activas del plasma tienen suficiente energía para producir radicales libres, y el compuesto implica el crecimiento de la película, es decir, películas de polímero de plasma que se pueden depositar sobre diversos sustratos.
Cuando se trata de un plasma de descarga, la tasa de deposición suele ser muy baja.
Debido a que este plasma se caracteriza por partículas cargadas con altas concentraciones, existe competencia entre la deposición y el grabado inducido por el bombardeo de electrones e iones.
Este trabajo implica plasma de nitrógeno remoto frío (CRNP)
Ubicado lejos de la descarga, el mecanismo producido está libre de partículas cargadas, por lo que el efecto de grabado es muy bajo y la tasa de deposición alcanza 100 veces la obtenida por el plasma de descarga.
El proceso es una polimerización asistida por plasma frío basada en TMDSO para la preparación de Asia-
Capas similares sobre el sustrato de acero inoxidable pueden garantizar la estabilidad mecánica de la fase activa (9-11)
Actúa como una barrera para evitar la corrosión y la difusión de Fe durante la reacción del catalizador, y también actúa como una capa de unión para la deposición de la fase activa.
Para lograr este objetivo, se requiere la mineralización completa de la membrana de polimerización de plasma depositada.
También conocida como película de polímero de plasma TMDSO (ppTMDSO).
El abuso es necesario.
En este artículo se aplica el proceso a dos sustratos libres de acero inoxidable: laminado y espuma con el objetivo de asegurar la estabilidad mecánica de la fase activa, como []VO. sub. x]/[TiO. sub. 2].
[Injerto]TiO. sub. 2]
Soporte con dos sustratos.
El interés de la espuma metálica es utilizar su rugosidad y dimensiones 3D para aumentar la superficie útil, que es un parámetro muy importante para las reacciones catalíticas.
Dispositivo experimental para un reactor de polimerización asistida por plasma de nitrógeno remoto en un proceso de polimerización por plasma experimental, como se muestra en la Fig. 1. El nitrógeno (grado 99,99%)
El flujo se estimula mediante descarga de microondas (2450 MHz-200 W)
En un tubo de silicona misceláneo
Mediante bombeo continuo (
Bomba de raíces)
, Flujo reactivado desde la descarga al área de deposición ubicada a 1 m de la descarga.
Las principales especies de reacción en esta región que no tienen partículas cargadas son el nitrógeno atómico en el electrón fundamental Staten ([. sup. 4]S).
Monómero TMDSO (
Sigma Aldrich, nivel 97%)
Premezcla de oxígeno (grado [
Mayor o igual a]99. 5)
, Introducción de CRNP mediante jeringa coaxial.
El flujo de dinitrógeno, dioxígeno y tmdso a 1800, 25 y 5 parece (
Centímetros cúbicos estándar por minuto)
El control de calidad a través de MKS es 550 Pa-Flowcontroller.
Medición de la tasa de deposición mediante interferencia de He in situ
Detector láser y fotoeléctrico Ne.
El proceso consta de varios pasos: primero, pretratar el sustrato a recubrir con singleCRNP durante 5 minutos para limpiarlo y resolver los contaminantes.
Entonces el monómero /[O. sub. 2]
Añadir la mezcla sin exposición al aire en el paso de deposición.
Se puede encontrar información detallada sobre el mecanismo de reacción propuesto para la descomposición del monómero en (12).
Finalmente, después de que el sustrato recubierto con TMDSO se tratara en una mezcla de [N. sub. 2]/1,5 % [O. sub. 2]
El plasma se aleja en 5 minutos. [
Figura 1 ligeramente]
Placas de sustrato de acero inoxidable (AISI 316L) (
50 mm x 20 mm x 0,5 mm) y espuma (Porvair[R]
, Ppi 40, densidad 5,4%)
Utilizado como sustrato.
La superficie de la placa de acero inoxidable se muestra en la figura. 2a.
Las figuras 2b y c muestran la imagen después de cortar 1 cm X 0 los bloques de espuma de 7 cm.
Tratamiento ultrasónico del sustrato con etanol antes de su uso (Sigma-Aldrich 99,9%)
Eliminar los restos orgánicos en 30 minutos, luego hacer ultrasonidos dos veces en agua desionizada durante 30 minutos, luego secar a 100 [grados]C durante 3 h.
Figura 2:
Durante el proceso de mineralización, la película de ppTMDSO se somete a convección forzada en el horno programable Maton mediante tratamiento térmico en aire.
Control de velocidad de calentamiento con regulador de temperatura Nelotherm.
Para eliminar los restos de carbono que quedan en la muestra de superficie, . [N. sub. 2]/1. 5% [O. sub. 2]
Finalmente, el procesamiento de plasma remoto se aplica en 5 minutos.
Tras el lavado alcalino, la posición de la membrana mineralizada puede evolucionar hacia un material con alcohol de silicio de alta densidad. [TiO. sub. 2]
Sumergir el sustrato de Coaling que se va a recubrir bajo agitación en una disolución acuosa que contenga 60 % en peso de [TiO. sub. 2]
Partículas en 5 minutos, retiradas a una velocidad de 6 mm/s. [TiO. sub. 2]
Proporcionado por Sigma-Aldrich (10[m. sup. 2]/g, 99.
8% tipo ruiti con un tamaño medio de partícula de 10 /[micro]m).
Después del recubrimiento, tostar el sustrato en una corriente de aire a 110 [grados].
C en 1 hora y luego a 700 [grados]C durante 2 h(
Rampa de temperatura: 80 [grados]C/min).
La película se caracterizó mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier y espectroscopia Raman (FTIR)Perkin-
Espectrómetro Elmer
El espectro se registró en modo de reflexión especular en el rango espectral 4000-400 [cm-sup. -1] (resolución 4 [cm-sup. -1]). Espectros Raman (RS)
Grabado en el espectrómetro infinito LabRAM (Jobin Yvon)
Con detector de nitrógeno líquido y frecuencia-
El láser Nd:YAG que proporciona la línea de excitación a 532 nm se duplica.
La potencia aplicada a la muestra es inferior a 5 mW.
Calibre diariamente el espectrómetro utilizando la línea de silicio de 521 [cm. sup. -1]. X-
Análisis del espectro de energía de los electrones de rayos X
Espectro de energía optoelectrónica (XPS)
Realizado utilizando el espectrómetro escalab 220 XL del generador de vacío.
[AlK]alfa]X- de un solo color
Utilizando la fuente de línea, la energía electrónica se mide en el modo de energía del analizador constante.
El paso del espectro medido puede ser de 100 eV y el paso del espectro de un solo elemento puede ser de 40 eV.
Toda la energía de enlace XPS se denomina C de 285 eV como nivel central.
Ángulo entre el evento X-
Los rayos y el analizador están a 58 [:grados]
, Fotoeléctrico recogido perpendicularmente a la superficie de la muestra.
Antes del análisis, incruste la muestra en la resina epoxi y púlala con un disco abrasivo (granulometría de 2400 a 3 [micro]m). ABal-
El Tec cd005 recubierto permite la deposición de películas delgadas de carbono.
Análisis de elementos mediante dispersión de longitud de onda X-
Espectrómetro de rayos (Cameca SX-
Analizador de 100 microsonda)
Funciona a 15 kV y 15 nA para electrones de dispersión inversa (BSE)
Imágenes de silicio, titanio y hierro X-y 15 kV y 49 nA
Perfil y mapeo de rayos.
Si, Fe y TiK [alfa]X-
La luz se detecta utilizando cristales TAP, leucemia y PET, respectivamente.
Microscopio electrónico de barrido (MEB)
Hitachi 4100 S está equipado con un analizador de miniaturas (EDS)
Y cañones de tiro de campaña (FEG).
La tensión de funcionamiento es de 15 kV.
El volumen estimado del análisis es de aproximadamente 1 [micro]m X 1 [micro]m de profundidad y ancho.
Medición de la interferencia láser del espesor de películas de ppTMDSO depositadas sobre placas de acero inoxidable medidas in situ mediante el método de interferencia de He con láser Ne ([lambda]=632,8 nm)
Y detectores fotoeléctricos.
Medición del ángulo de contacto mediante la computadora Kruss para evaluar las propiedades de humectación de la capa de depósito a partir del ángulo de contacto con el agua desionizada
Medidor de ángulos controlable.
La precisión de la medición a temperatura ambiente es de [+ o -]1[grados].
Resultados y discusión en el primer método, proceso que permite la obtención de [TiO. sub. 2] homogéneo.
Capas de deposición por inmersión
Se estudió el recubrimiento de SS sobre la película mineralizada de ppTMDSO en placas 316L.
Luego, el proceso se aplica a la espuma metálica.
De acuerdo con el espesor de la película, la velocidad de deposición de la película pptmdso se evaluó mediante dos métodos con una medición de interferencia de un espesor menor a 12 [micro].
Imágenes M y BSE con espesor mayor a 5 [micro]m.
La figura 3 muestra una película de 30 μm de espesor.
En las condiciones experimentales de este estudio, la tasa de interés de los depósitos es 1,0 [+ o -]0,1 [micro]
M/min, espesor de 1 a 35 [excelente linealidad]micro]m.
Los dos métodos están bien concordantes.
Las películas de PpTMDSO se analizaron con espectroscopia FTIR para determinar sus propiedades químicas, similares a las reportadas en estudios previos (9-12).
El espectro muestra una disminución en la banda fuerte de 2145 [cm. sup. -1](ver Fig. 4)
Esta es una característica de Si--
Clave de estiramiento H en TMDSO (13)
Proporcionar evidencia mediante ataques con nitrógeno atómico (12).
En el rango de 1200-1000[cm. sup. -1]
, Mejora de los picos dobles, que es característico de la elongación asimétrica de Si--O--
Enlaces de Si en las conformaciones de polimerización y Si--C. [
Figura 3 ligeramente][
Figura 4 ligeramente]
Nuestro objetivo es encontrar un protocolo que permita la conversión de la película de ppTMDSO en una membrana uniforme y completamente mineralizada, así como el tratamiento térmico in situ de la membrana de ppTMDSO en el aire. El 15-[micro]
Película gruesa M-
En [5 minutos]N. sub. 2]/[O. sub. 2]
El resplandor del plasma se sometió a un tratamiento térmico de aire realizado a 5 [grados]
Velocidad de calentamiento C/min hasta 650 [grados]C.
La temperatura final permanece sin cambios durante 1 hora.
Como se muestra en la figura, el protocolo conduce a una explosión completa de capas.
5a, esto también se confirma por la presencia del fotopico Fe2p en 710.
Se detectaron 68 eV mediante XPS.
Esta capa no puede resistir las restricciones físicas y químicas inducidas por las condiciones seleccionadas.
Por lo tanto, la influencia del espesor de la película (t), el postratamiento (pt)
Pendiente de temperatura (tr)
Se realizó un estudio para solucionar este problema.
La respuesta de cada experimento se evaluó mediante imágenes BES. Como se muestra en la Fig. 5a.
D. Espesor de la película y parte trasera
El procesamiento es el parámetro más importante.
Para películas con puestos de avanzada, los mejores resultados se obtienen con tratamiento.
Mostrado antes (9), (14)
Después de la asistencia de Plasma
El tratamiento condujo a la formación de un cuasi-dos
Uno es el material para el profano [SiO. sub. 2]
Otra capa de ppTMDSO que fue asimilada como no modificada.
Durante el proceso de tratamiento térmico en el aire, la base de oxígeno y carbono del ppTMDSO reacciona con el oxígeno, dando como resultado la formación de [CO. sub. 2] y [H. sub. 2]O (15). [
Figura 5 Ligeramente]
Se obtuvieron 5 buenos resultados[micro]
1 [grados de espesor de película m]
C/min, sin postratamiento.
En estas condiciones se obtiene una membrana uniforme (Fig. 5d).
Tablero SS completamente recubierto.
La figura 6 muestra la distribución de las concentraciones de Si y Fe obtenidas del microanálisis con sonda electrónica (EPMA).
Análisis de muestra de este caso.
El análisis XPS mostró que el nivel de carbono era bajo y la composición química era [SiC. sub. 0. 05][O. sub. 1. 8]
El espectro Raman también lo demuestra (véase la Fig. 7). El [CH. sub. 3] restante
[Eliminación efectiva de trazas que pueden no ser convenientes para una mayor deposición de etapas activas]N. sub. 2]/[O. sub. 2]
El brillo del plasma se realiza en 5 minutos.
Después de esta publicación
Después del tratamiento, la composición superficial obtenida por XPS es [SiO. sub. 0. 01][O. sub. 1. 82](llamada nuevamente [SiO. sub. x]).
Durante el tratamiento, la membrana pptmdso completamente modificada de [contracción]
Aproximadamente igual al]75%.
Comprobar la buena adherencia y estabilidad mecánica [SiO. sub. x]
Capa, la muestra se sumerge en n-
Baño ultrasónico de N-gengane en 1 minuto. No se observó desprendimiento.
[Antes del recubrimiento de TiO. sub. 2]
, Sumerja la placa en la solución básica dentro de las 4 horas (
3 g de hidróxido de sodio, 4 ml de etanol, 3 ml de agua).
Después de este tratamiento, el ángulo de contacto medido por el agua es de 29 [grados].
Igual a [87]grados]
Disco SS desnudo, 104 【grados]
PpTMDSO/SS y 34 [grados] para [SiO. sub. x]/SS.
Así pues, el tratamiento integral en [N. sub. 2]/[O. sub. 2]
El lavado con plasma y base mejoró las propiedades de humectación del siguiente paso de recubrimiento de [placa]TiO.sub.2].
La figura 8 muestra un 12 [micro]
Recubrimiento de espesor M [SiO. sub. x]/placa de acero inoxidable.
Perfil WDS de Si, Ti y Fe.
Se proporciona evidencia de la capa continua. Este TiO. sub. 2]/[SiO. sub. x]
Los compuestos de acero inoxidable (SS) permanecen bastante estables, incluso a n-
El baño ultrasónico de heptano demostró su buena estabilidad mecánica en 1 minuto.
Figura 6 ligeramente][
Figura 7 Ligeramente][
Figura 8:[
Figura 9 omitida
Recubrimiento de espuma de acero inoxidable debido a su gran relación de volumen de superficie, la espuma presenta las ventajas de mayor masa y mayor transferencia de calor, que deben controlarse en la reacción de liberación de calor catalítica.
Para realizar un recubrimiento uniforme de la espuma con ppTMDSO, existen dos configuraciones (A y B)
Se diseña un soporte adecuado (ver Fig. 10).
En la configuración A, la muestra acaba de precipitar en el soporte de la placa base, por lo que el gas de reacción fluye a través de la espuma por difusión y se consume antes de llegar al núcleo de la muestra.
No se observaron más recubrimientos (Fig. 11d) más allá de 3.
5 mm desde la superficie superior de la muestra.
En la configuración B, el gas activo fluye a través de la espuma.
El transporte previo al ciclo queda asegurado a través de todo el volumen de espuma.
Se observa una capa uniforme de espuma con un espesor total superior o igual a 15 μm (Figs. 11e-h).
Evaluado por EPMA a lo largo de la dirección z.
Generar 【SiO. sub. x]
Sobre una capa de espuma metálica se descompone la muestra en las condiciones de la placa previamente determinada (sin postratamiento, 1[grados]
Velocidad de calentamiento C/min, temperatura final 650 [grados]C durante 1 h).
Las imágenes EPMA muestran que es posible obtener un ppTMDSO calcinado uniforme solo si el espesor de la película es inferior a 7 [micro]m (ver Fig. 12).
Después de Plasmapost-
Etapas de procesamiento y tratamiento químico en hidróxido de sodio [TiO. sub. 2]
Recubrimiento como se describe arriba. Imagen EPMA (Fig. 13)
Y análisis de sonda electrónica (Fig. 14) así como mapeo de rayos X (ver Fig. 14)
Proporcionar evidencia de estas dos capas consecutivas. [
Figura 10 ligeramente][
Figura 11 omitida][
Figura 12:[
Figura 13:[
[Figura 14 omitida]
Conclusión: En la literatura, la película de plasma polimérico TMDSO se depositó primero sobre toda la superficie de espuma de acero inoxidable mediante un proceso de polimerización asistido por plasma.
Esta película puede volverse fácilmente estable, viscosa y uniforme [1 [. SiO. sub. x]
Capa después de asar al aire.
Este resultado es muy interesante en el campo de las aplicaciones industriales catalíticas no homogéneas. De hecho, [SiO. sub. x]
Actúa eficazmente como capa aglutinante para el catalizador de óxido depositado. El [TiO2]
Un andamio en el que se injerta isopropílico de vanadio mediante recubrimiento por deposición por inmersión en [TiO. sub. 2]-
Suspensión de trititanio en agua. [SiO. sub. x]
Se espera que sirva como imprimación y barrera contra el [envenenamiento]VO. sub. x]/[TiO. sub. 2]
Un catalizador hecho de hierro a partir de un sustrato.
El experimento catalítico de esta espuma de recubrimiento está en curso.
Estos catalizadores/reactores estructurales han tenido éxito y su fase activa es:
Conocido por sus aplicaciones en la industria química y la reducción de la contaminación, esto puede ayudar a promover el uso de nuevos reactores con transferencia de calor y transferencia de masa mejoradas.
[Figura 15 omitida]
Confirmar M. Frere y L.
Gengembre agradece las medidas XPS. S.
Gracias por el análisis de Bellayer. REFERENCIAS (1. )H.
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Patrocinador de la adjudicación del contrato: compañía aérea nacional ANR-MILLICAT);
Número de adjudicación del contrato: 06-BLAN-0126-01.
Publicación en línea en la Biblioteca en línea de Wiley (
Wileyonlinelibrary.com). [C]
2011 Instituto de Ingenieros Plásticos Adil Essakhi, (1)
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Veronik Courtova (1)Valerie Meille,(3)
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Elizabeth BoulderRichard (1)(1)
El catalizador de la unidad y otros de Chimie du Solide (UCCS)
Universidad de Ciencias y Tecnología, Lille 1, Francia, 8181 villeneuved' asq cedex, UMR 59655 (2)IEMN -
UMR 8520, Groupe BioMEMS, informe del equipo P2M-
Universidad de Ciencia y Tecnología, Lilai 1, Francia, 59655 teseneuve d. Ascq cedex (3)
Laboratoire de elves des Procedes domtiques CPE Lyon 43Boulevard du 11 nov novembre 1918, BP 82077, 69616 verleban cedex, mes de montaña, Francia. 1002/bolígrafo.