Petroleum ChemistryPetroleum ChemistryНефтехимия0028-24213034-5626The Russian Academy of Sciences65560510.31857/S0028242123040135OQFLYUArticlesСтатьиResearch ArticleFlameless Catalytic Combustion of Ethanol on Copper, Chromium, and Nickel OxidesБеспламенное каталитическое горение этанола на оксидах меди, хрома и никеляArsent'evS. D.АрсентьевС. Дarsentiev53@mail.ruGrigoryanR. R.ГригорянР. Рpetrochem@ips.ac.ruKocharyanG. G.КочарянГ. Гpetrochem@ips.ac.ruStepanyanS. Kh.СтепанянС. Хpetrochem@ips.ac.ruTavadyanL. A.ТавадянЛ. Аpetrochem@ips.ac.ruNalbandyan Institute of Chemical Physics, National Academy of Sciences of the Republic of ArmeniaИнститут химической физики им. А.Б. Налбандяна НАН Республики Армения15072023634NO4 (2023)№4 (2023)59560511022025Copyright ©; 2023, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2023, Российская академия наук2023Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0028-2421/article/view/655605

The possibility of using 3d-metal oxides as catalysts of self-sustaining catalytic flameless combustion of ethanol was examined. Monolithic catalysts CuO and Cr2O3, supported catalysts 25% CuO/SiO2 and 25% CuO/Al2O3, and ultrasonically treated catalyst 25% NiO/SiO2 can operate for a long time without changes in properties, ensuring 100% ethanol conversion. The wide range of the temperatures reached (300–590°C) allows choosing a catalyst meeting the process tasks.

Исследована возможность использования оксидов 3 d -металлов в качестве катализаторов самоподдерживающейся реакции каталитического беспламенного горения этанола. Показано, что монолитные катализаторы CuO, Cr2O3, а также нанесенные катализаторы 25% CuO/SiO2, 25% CuO/Al2O3 и обработанный ультразвуком катализатор 25% NiO/SiO2 могут работать длительное время без изменения свойств, обеспечивая 100%-ную конверсию этанола. Широкий диапазон достигаемых температур (300-590°C) позволяет подбирать катализатор, соответствующий поставленным задачам.

catalysisflameless combustionethanolmetal oxidesкатализбеспламенное горениеэтанолоксиды металловMueller-Stach T.W., Neubauer T., Punke A.H., Grubert G., Siani A., Freitag C. Diesel oxidation catalyst with layer structure for improved hydrocarbon conversion // Patent US № 20100180582 A1. 2010.Naotaka O., Kejitiro M., Kazukhiko J., Operason R. Composite oxide, method for production thereof and catalyst for cleaning exhaust gases // Patent RU № 2588126 C2. 2012.Farrauto R.J., Voss K.E., Heck R.M. Ceria-alumina oxidation catalyst // Patent US № 005627124A. 1997Galanov S.G., Sidorova O.I., Mutas I.N., Popov V.N., Dunaevskij G.E., Borilo L.P., Kozik V.V. Method of producing thermally stable catalyst of oxidation of hydrocarbons and carbon monoxide // Patent RU № 2404854 C1. 2010.Завьялова У.Ф., Третьяков В.Ф., Бурдейная Т.Н., Цырульников П.Г. Блочные катализаторы нейтрализации выхлопных газов, синтезированные методом горения. // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. Т. 13. С. 751-775.Raj R., Chaurasia A. Flameless Combustion: A Review. // Intern. J. of Science Technology & Engineering. 2016. V. 3. № 4. P. 70-75.Лукьянов Б.Н., Кузин Н.А., Кириллов В.А., Куликов В.А., Шигаров В.Б., Данилова М.М. Экологически чистое окисление углеводородных газов в каталитических нагревательных элементах. // Химия в интересах устойчивого развития. 2001. Т. 9. № 5. С. 667-677.Проблемы кинетики и катализа. 18: Глубокое каталитическое окисление углеводородов. Под ред. О.В. Крылова и М.Д. Шибанова. М.: Наука, 1981. 199 с.Welles C.G. Development of an advanced flameless combustion heat source utilizing hevy fuels. Technical report NATICK/TR-10/018. 2006-2008. https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a526157.pdfLee I.C., Lan H.T. Heater // Patent US № 10584869B2. 2020.Lee I.C. Heater and cookware for flameless catalytic comdustion // Patent US № 20200022524 A1. 2020.https://www.profsharemarketresearch.com/three-way-catalysts-twc-market-reportЛопатин С.А., Цырульников П.Г., Котолевич Ю.С., Микенин П.Е., Писарев Д.А., Загоруйко А.Н. Структурированный стеклотканный катализатор ИК-12-С111 для глубокого окисления органических соединений // Катализ в промышленности. 2015. № 3. С. 67-72. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2015-3-67-72Maharana D., Soloman P.A. Flameless catalytic LPG combustion and its optimization approach // Procedia Technology. 2016. V. 24. P. 689-695. https://doi.org/10.1016/j.protcy.2016.05.192Idriss H. Ethanol reactions over the surfaces of noble metal/cerium oxide // Platinum Metals Rev. 2004. V. 48. № 3. P. 105-115. https://doi.org/10.1595/147106704X1603Исмагилов З.Р., Баранник Г.Б., Суриков В.А., Шаров Н.Г., Гриднев Ю.М., Куликовская Н.А., Шкрабина Р.А., Кириченко О.А., Садовникова М.А. Катализатор для сжигания газовых выбросов в нестационарном режиме // Патент РФ № 1462557A1. 1993.Симонов А.Д., Языков Н.А., Дубинин Ю.В. Эффективное сжигание метана в псевдоожиженном слое катализатора // Химия в интересах устойчивого развития. 2013. Т. 21. № 2. С. 173-78.Зажигалов С.В., Микенин П.Е., Лопатин С.А., Баранов Д.В., Писарев Д.А., Чумакова Н.А., Загоруйко А.Н. Усовершенствованный адсорбционно-каталитический процесс для очистки отходящих газов от примесей летучих органических соединений // Катализ в промышленности. 2016. Т. 16. № 3. С. 38-48. https://doi.org/10.18412/1816-0387-2016-3-38-48Zazhigalov S., Elyshev A., Lopatin S., Larina T., Cherepanova S., Mikenin P., Pisarev D., Baranov D., Zagoruiko A. Copper-chromite glass fiber catalyst and its performance in the test reaction of deep oxidation of toluene in air // Reaction. Kinetics, Mechanisms and Catalysis. 2017. V. 120. P. 247-260. https://doi.org/10.1007/s11144-016-1089-3.Тихов С.Ф., Беспалко Ю.Н., Садыков В.А., Саланов А.Н., Решетников С.И. Каталитическое окисление метана на керамометаллических катализаторах CuO/Al2O3/FeAlO/FeAl // Физика горения и взрыва. 2016. Т. 52. № 5. С. 45-54. https://doi.org/10.15372/FGV20160504Slavinskaya E.M., Zadesenets A.V., Stonkus O.A., Stadnichenko A.I., Shchukarev A.V., Shubin Yu.V., Korenev S.V., Boronin A.I. Thermal activation of Pd/CeO2-SnO2 catalysts for low-temperature CO oxidation. // Applied Catalysis B: Environmental. 2020. V. 277. P. 119-275. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119275Кустов Д.М. Способ приготовления катализатора для полного окисления углеводородов, катализатор, приготовленный по этому способу, и способ очистки воздуха от углеводородов с использованием полученного катализатора // Патент РФ № 2515510 C1. 2014.Jiratova K., Kovanda F., Balabanova J., Kolousek D., Klegova A., Pacultova K., Obalova L. Cobalt oxide catalysts supported on CeO2-TiO2 for ethanol oxidation and N2O decomposition // Reaction. Kinetics, Mechanisms and Catalysis. 2017. V. 121. № 1. P. 121-139. https://doi.org/10.1007/s11144-017-1142-xAmrollahi R., Wenderich K., Mul G. Room temperature oxidation of ethanol to acetaldehyde over Pt/WO3. // Adv. Mater. Interfaces. 2016. V. 3. № 18. Аrt. № 1600266. https://doi.org/10.1002/admi.201600266Zazhigalov S., Elyshev A., Lopatin S., Larina T., Cherepanova S., Mikenin P., Pisarev D., Baranov D., Zagoruiko A. Copper-chromite glass fiber catalyst and its performance in the test reaction of deep oxidation of toluene in air // Reaction. Kinetics, Mechanisms and Catalysis. 2017. V. 120. P. 247-260. https://doi.org/10.1007/s11144-016-1089-3Chatel G. Sonochemistry in nanocatalysis: The use of ultrasound from the catalyst synthesis to the catalytic reaction // Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 2019. V. 15. P. 1-6. https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2018.07.004Geun-Ho Han,Myung-gi Seo,Young-Hoon Cho, Sang Soo Han, Kwan-Young Lee. Highly dispersed Pd catalysts prepared by a sonochemical method for the direct synthesis of hydrogen peroxide // Molecular Catalysis. 2017. V. 429. P. 43-50. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2016.12.003Seok S., Hussain M.A., Park K.J., Kim J.W., Kim D.H. Sonochemical synthesis of PdO/silica as a nanocatalyst for selective aerobic alcohol oxidation // Ultrasonics Sonochemistry. 2016. V. 28. P. 178-184. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2015.07.020Febles V.G., Melo-Maximo D.V., Perez I.H., Parra R.S., Espinoza-Tapia J.C., Paz R.L., Arceo L.D.B., Olvera J.N.R., Melo-Maximo L., González-Reyes L. Sonochemical synthesis of nanostructured Ni-Fe-C system and its catalytic activity based on decolorization of reactive black 5 dye // Crystals. 2022. V. 12. № 8. P. 1123-1142. https://doi.org/10.3390/cryst12081123Mahboob S., Haghighi M., Rahmani F. Sonochemically preparation and characterization of bimetallic Ni-Co/Al2O3-ZrO2 nanocatalyst: effects of ultrasound irradiation time and power on catalytic properties and activity in dry reforming of CH4 // Ultrasonics Sonochemistry. 2017. V. 38. P. 38-49. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.02.039Гарибян Т.А., Мурадян А.А., Григорян Р.Р., Манукян Н.С. Ультразвуковое воздействие при активации катализаторов окислительных превращений метана, пропилена и метанола // Кинетика и катализ. 1993. Т. 34. № 4. С. 742-745Григорян Р.Р., Вартикян Л.А., Гарибян Т.А, Зажигалов В.А. Использование природных цеолитов для создания катализаторов нейтрализации газовых выбросов. 1. Глубокое окисление метанола // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2008. Т. 5. С. 24-30.Philips T.C., Kudryavtsev S., Glikina I., Korol D. Principles of the progress of reactions involving deep oxidation of isopropyl alcohol under conditions of aerosol nanocatalysis technology // Eastern-European J. of Enterprise Technologies. 2019. V. 3. № 6(99). P. 37-43. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.170488Li X., Iglesia E. Selective catalytic oxidation of ethanol to acetic acid on dispersed Mo-V-Nb mixed oxides // Chem. Eur. J. 2007. V. 13. P. 9324-9330. https://doi.org/10.1002/chem.200700579Sapi A., Liu F., Cai X., Thompson C.M., Wang H., An K., Krier J.M., Somorjai G.A. Comparing the catalytic oxidation of ethanol at the solid-gas and solid-liquid interfaces over size-controlled Pt nanoparticles: striking differences in kinetics and mechanism // Nano Lett. 2014. V. 14. № 11. P. 6727-6730. https://doi.org/10.1021/nl5035545Ismagilov Z.R., Dobrynkin N.M., Popovskii V.V. Oxidation of ethanol on platinum/alumina and copper oxide catalysts // Reaction. Kinetics and catalysis letters. 1979. V. 10. P. 55-59. https://doi.org/10.1007/BF02067512Lomonosov V.A., Panasyugin A.S., Smorygo O.L., Mikutskii V.A., Romashko A.N., Tikhov S.F., Sadykov V.S. Pd/γ-Al2O3 catalysts on cellular supports for VOC vapor neutralization. // Catalysis in Industry. 2010. V. 2. P. 387-392. https://doi.org/10.1134/S2070050410040148