Typer katalysatorer i kjemisk industri. Industrielle anvendelser av katalyse

Den raske industrielle veksten vi nå ser, hadde ikke vært mulig uten utvikling og fremvekst av nye kjemikalier teknologiske prosesser... I større grad tilrettelegges fremgangen ved utstrakt bruk av katalysatorer, det er de som hjelper til med å gjøre råvarer av lav kvalitet til produkter av høy kvalitet. kan sammenlignes med Philosopher's Stone, som ble antatt å gjøre noen metaller til gull. Men bare katalysatorer konverterer råvarer til forskjellige medisiner, til plast, til kjemiske reagenser, til drivstoff, til nyttig og nødvendig gjødsel og annen nytte.

Starten av margarinproduksjon ved katalytisk hydrogenering av vegetabilske oljer regnes som en viktig hendelse for praktisk bruk av katalysatorer. Dette ble først utført på begynnelsen av det 20. århundre, og allerede i tjueårene utviklet forskere katalytiske metoder for å skaffe nye organiske materialer. Olefiner, nitriler, estere, syrer har blitt en slags "byggesteiner" for produksjon av plast.

Den neste bølgen, da industrielle katalysatorer ble brukt, var oljeraffinering.

Snart, i dette området av industrien, var katalysatorer ikke lenger mulig, siden disse enhetene brukes på alle trinn i prosessen, for eksempel:

Sprekker
Reforming
Hydrosulfonering
Hydrocracking
Isomerisering
Polymerisering
Alkylering

I i fjor katalysatorer er mye brukt innen miljøvern. Den mest berømte enheten som hjelper oss med å bevare miljøet er avgasskatalysatoren i biler.

Anvendelsesområdene for omformere utvides stadig, reaksjonen fra katalyse gjør det mulig å forbedre tidligere utviklede teknologier. For eksempel er katalytisk sprekkdannelse forbedret ved bruk av zeolitter.

Hydrogenering

I utgangspunktet er katalytiske reaksjoner assosiert med det faktum at et hydrogenatom aktiveres med et annet molekyl, noe som fører til kjemiske interaksjoner. Denne prosessen kalles hydrogenering, og det er han som er grunnlaget for mange trinn i oljeraffinering, så vel som i produksjonen av flytende drivstoff fra kull. Under krigen ble hydrogeneringsprosessen mye brukt i Tyskland for å produsere bensin til fly og drivstoff til biler fra kull, fordi det ikke er olje i Tyskland.

Hydrogenering av spiselige oljer

En annen nyttig bruk av katalysatorer i næringsmiddelindustrien er hydrogenering av vegetabilsk olje til margarin, matolje og andre matvarer. I dette tilfellet påføres fint dispergert nikkelpulver på katalysatoren eller bæreren.

Dehydrogenering

Denne kjemiske reaksjonen ved katalyse brukes sjeldnere enn hydrogenering, men det er likevel viktig, det hjelper å oppnå styren, propan, butan og buten.

Syrekatalyse

Aktiviteten til de fleste katalysatorer bestemmes og avhenger av deres sure egenskaper. Det er sure industrielle katalysatorer som i de fleste tilfeller brukes i oljeraffinering, for produksjon av parafiner, aromatiske hydrokarboner. Det siste innen bruk av industrielle katalysatorer er produksjon av blyholdig drivstoff, samt bensintyper med høy oktan.

Det må sies at det fremdeles ikke er noen enhetlig katalogisering av industrielle katalysatorer.

Alt går empirisk. Katalysatorer er klassifisert basert på følgende parametere:

Katalysereaksjonstype
Naturen til stoffet som er aktivt
Katalytisk prosessgruppe

Det mest komplekse alternativet er nettopp det tredje, siden det er han som er mest fokusert på moderne industri - petrokjemisk, kjemisk, oljeraffinering.

Katalyse er et av de mest dynamisk og raskt utviklende områdene innen vitenskap og teknologi. Nye katalytiske systemer utvikles kontinuerlig og eksisterende katalytiske systemer forbedres, nye katalytiske prosesser blir foreslått, maskinvaredesignet deres endres, og nye fysisk-kjemiske metoder for å studere katalysatorer forbedres og vises. De fleste kjemiske prosesser involvert i petrokjemisk og oljeraffineringskompleks er katalytiske. Utviklingen av katalyse og katalytiske teknologier avgjør i stor grad konkurranseevnen til petrokjemiske produkter i markedet. Derfor er spørsmålet om behovet for å trene høyt kvalifiserte spesialister innen katalyse for petrokjemi, akutt.

Katalyse er et spesifikt fenomen. Det er ingen stoffer som har katalytiske egenskaper generelt. Hver reaksjon må bruke sin egen spesifikke katalysator.

Bruk av katalyse i kjemisk industri... Katalytiske prosesser brukes til å produsere hydrogen, som fungerer som råmateriale for syntesen av ammoniakk og en rekke andre næringer innen kjemisk teknologi. Metanomdannelse. Den billigste kilden til hydrogen er naturgass... Det første trinnet av hydrogenproduksjon inkluderer samspillet mellom metan og vanndamp med delvis tilsetning av oksygen eller luft ved en temperatur på 800 - 1000 ° C (reaksjon 2.1). Nikkel støttet på varmebestandige aluminiumoksydbærere (korund - a-Al 2 O 3) brukes som katalysator.

CH 4 + H2O ⇄ 3H2 + CO (2.1)

CO + H2O ⇄ CO 2 + H2 (2.2)

Som et resultat av denne reaksjonen, sammen med hydrogen, dannes karbonmonoksid i en betydelig mengde.

CO-konvertering. Interaksjonen mellom karbonmonoksid og vanndamp utføres i to trinn med avtagende temperaturforhold ved bruk av oksydkatalysatorer (reaksjon 2.2), mens det i tillegg dannes hydrogen. I det første trinnet ble en medium-temperatur (435-475 ° C) jern-krom-katalysator (Fe3O4 med tilsetninger av Cr203) brukt; på den andre - en katalysator med lav temperatur (230-280 ° C) (en blanding av oksider av aluminium, kobber, krom og sink). Det endelige innholdet av karbonmonoksyd, hvis nærvær kraftig reduserer aktiviteten til jernkatalysatorer for syntesen av ammoniakk, kan reduseres til tiendedeler av en prosent.

For å fjerne gjenværende CO var det nødvendig å bruke en kompleks vasking av gassblandingen med en ammoniakkoppløsning av Cu20 ved et høyt trykk på 120-320 atm og en lav temperatur på 5-20 ° C.

I praksis industriell produksjon Rensing av gassutslipp fra CO utføres ved metoden for absorpsjon av oppløsninger av Cu-ammoniumsalter (formater og kobberkarbonater), som har evnen til å danne komplekse forbindelser med CO. Siden formiatene ikke er veldig stabile, foretrekkes karbonatløsninger.

Det opprinnelige karbonat-ammoniakk-kobberkomplekset har følgende sammensetning (kmol / m 3): Cu + - 1,0 - 1,4; Cu 2+ - 0,08-0,12; NH3 4,0-6,0; CO 2 - 2,4 - 2,6.

Absorpsjonskapasiteten i forhold til CO er besatt av saltene av kobberkobber. Cu 2+ kationer deltar som regel ikke i absorpsjon. Imidlertid er det nødvendig å opprettholde konsentrasjonen av Cu2+ i løsningen minst 10 vekt. % av Cu + innhold. Sistnevnte forhindrer dannelse av elementært kobbersediment, som kan tette rørledninger og forstyrre driften av absorberen. Tilstedeværelsen av karbonat-ammoniakk-komplekset av kobber Cu 2+ i løsningen forskyver likevekten av reaksjonen (1) mot dannelsen av Cu +: Cu 2+ + Cu ⇄ 2 Cu + (1)

Løsningen av karbonat-ammoniakk-kobberkomplekset som brukes til absorpsjon av CO inneholder 2 CO 3; CO 3; (NH4) 2C03; gratis NH 3 og CO 2.

Prosessen med CO-absorpsjon av karbonat-ammoniakk-kobberkomplekset fortsetter i henhold til reaksjonen: + + CO + NH 3 ⇄ + - DH (2)

Samtidig med CO absorberes CO 2 også i henhold til ligningen:

2 NH3 + H20 + CO 2 ⇄ (NH 4) 2 CO 3 - DH 1 (3)

Metanering. I forbindelse med utviklingen av en ny aktiv nikkelkatalysator kan den komplekse vaskeoperasjonen erstattes ved 250-350 ° C ved en enklere prosess for å omdanne karbonmonoksidresten til metan, inert for ammoniakk-syntesekatalysatoren (reaksjon 2.3):

CO + 3H 2 ⇄ CH 4 + H 2 O (2.3)

Dermed gjorde utviklingen av en mer aktiv katalysator det mulig å forenkle betydelig teknologisk ordning og forbedre effektiviteten av ammoniakkproduksjon.

Anvendelse av katalyse i oljeraffineringsindustrien... Effektiviteten av bruken av katalyse viste seg å være så viktig at det i flere år skjedde en ekte teknisk revolusjon i oljeraffineringsindustrien, som gjorde det mulig på grunnlag av bruken av katalysatorer å dramatisk øke både utbyttet og kvaliteten på de resulterende motordrivstoffene.

For tiden blir over 80% olje raffinert ved hjelp av katalytiske prosesser: krakking, reformering, isomerisering og hydrogenering av hydrokarboner, hydrobehandling av oljefraksjoner fra svovelholdige forbindelser, hydrokrakking. Tabell 2.1 viser de viktigste moderne katalytiske oljeraffineringsprosessene.

Sprekker. Katalytisk krakking av olje eller dets fraksjoner er en destruktiv prosess utført ved temperaturer på 490-540 ° C på syntetiske og naturlige aluminosilikatkatalysatorer av sur karakter for å oppnå bensin av høy kvalitet med et oktantal på 98-92, en betydelig mengde gasser som inneholder mettede og umettede hydrokarboner C 3 - C 4, petroleum-gass oljefraksjoner, kullsvart og koks.

Oktantallet (RH) er en betinget indikator på detonasjonsmotstanden til lett (bensin, parafin) motorbrensel under forbrenning i forgassermotorer. Referansedrivstoffet er isoktan (r.p. \u003d 100), normal heptan (r.h. \u003d 0). Oktantallet bensin er prosentandelen (i volum) av isoktan i en slik blanding med n-heptan, som under standard testforhold på en spesiell ensylindret motor detonerer på samme måte som den testede bensinen.

De siste årene har katalysatorer basert på krystallinske syntetiske zeolitter blitt mye brukt i industrien. Aktiviteten til disse katalysatorene, spesielt de som inneholder en blanding av sjeldne jordoksider (Ce02, La203, Ho203, Dy203 og andre), er betydelig høyere enn for amorfe aluminiumsilikatkatalysatorer.

Bruken av katalysatorer gjorde det mulig ikke bare å øke dannelseshastigheten for hydrokarboner med lavere molekylvekt fra naftener med en faktor på 500-4000, men også å øke utbyttet av verdifulle fraksjoner sammenlignet med termisk krakking.

Katalytisk sprekker er den industrielle katalytiske prosessen med høyeste tonnasje. Med sin hjelp behandles mer enn 300 millioner tonn olje per år, noe som krever et årlig forbruk på rundt 300 tusen tonn katalysatorer.

Reforming. Katalytisk reformering utføres ved en temperatur på 470-520 ° C og et trykk på 0,8-1,5 MPa på Pt, Re-katalysatorer støttet på aluminiumoksyd, behandlet med hydrogenklorid for å øke sure egenskaper. Reforming er en metode for raffinering av petroleumsprodukter, hovedsakelig bensin- og naftafraksjoner av olje (C6-C9 hydrokarboner av tre hovedklasser: parafiniske, nafteniske og aromatiske) for å oppnå høyoktanmotorbensiner, aromatiske hydrokarboner (benzen, toluen, xylen, etylbenzen) og teknisk hydrogen. I reformeringsprosessen foregår reaksjonene av naftener dehydrogenering til aromatiske hydrokarboner, syklisering av parafiner og olefiner, og isomerisering av fem-leddede sykliske hydrokarboner i seks-ledd. For tiden brukes katalytisk reformering til å behandle mer enn 200 millioner tonn olje per år. Anvendelsen tillot ikke bare å forbedre kvaliteten på drivstoff, men også å produsere betydelige mengder aromatiske hydrokarboner for den kjemiske industrien. Biproduktene fra katalytisk reformering er drivstoffgass, som hovedsakelig består av metan og etan, så vel som flytende gass - propan-butanfraksjon

Hydrobehandling av petroleumsprodukter. Hydrogen er et verdifullt biprodukt av katalytisk reformering. Fremveksten av billig hydrogen gjorde det mulig å bruke katalytisk hydrobehandling av petroleumsprodukter fra svovel-, nitrogen- og oksygenholdige forbindelser, med dannelse av henholdsvis lett fjernbare Н 2 S, NH 3 og H 2 O (reaksjoner 2.4 - 2.7):

CS 2 + 4H 2 ⇄ 2H 2 S + CH 4 (2.4)

RSH + H 2 ⇄ H 2 S + RH (2,5)

COS + 4H 2 ⇄ H 2 S + CH 4 + H 2 O (2.6)

RNH + 3 / 2H 2 ⇄ NH 3 + RH (2,7)

Samtidig hydrogeneres dienene, noe som øker produktets stabilitet. For dette formål er den mest utbredte katalysatorer fremstilt av oksider av kobolt (2–5 vekt%) og molybden (10–19 vekt%) eller oksider av nikkel og molybden støttet på γ-aluminiumoksyd.

Hydrobehandling gjør det mulig å produsere opptil 250-300 tusen tonn elementært svovel per år. For dette implementeres Klaus-prosessen:

2H 2 S + 3O 2 ⇄ 2SO 2 + 2H 2 O (2.8)

2H 2 S + SO 2 ⇄ 3S + 2H 2 O (2,9)

En del av H2S oksyderes av atmosfærisk oksygen til γ-Al203 ved 200-250 ° C (reaksjon 2.8); den andre delen av H2S reagerer med svoveldioksid og danner svovel (reaksjon 2.9).

Vannbehandlingsbetingelser avhenger av egenskapene til råmaterialet som renses, men ligger oftest i området 330-410 ° C og 3-5 MPa. Rundt 300 millioner tonn petroleumsprodukter (bensin- og parafinfraksjoner, diesel, vakuumdestillater, parafiner og oljer) hydrobehandles årlig. Implementeringen av hydrobehandlingsfasen i oljeraffinering gjorde det mulig å forberede råstoff for katalytisk reformering (bensin) og sprekkdannelse (vakuumdestillater), for å oppnå petroleum og drivstoff med lav svovelbelysning, for å forbedre kvaliteten på produkter (parafiner og oljer), og har også en betydelig miljøeffekt, siden atmosfæren forurensning av eksos gasser når du brenner drivstoff. Innføringen av vannbehandling gjorde det mulig å bruke svovelholdige oljer til produksjon av oljeprodukter.

Hydrocracking. Nylig har hydrokrakkingsprosessen fått betydelig utvikling, hvor reaksjonene av sprekkdannelse, isomerisering og hydrobehandling utføres samtidig. Hydrokraking er en katalytisk prosess med dyp omdannelse av råvarer med forskjellige brøkdeler i nærvær av hydrogen for å oppnå lette oljeprodukter: bensin, jet og diesel, flytende gasser C3-C4. Bruken av polyfunksjonelle katalysatorer gjør at denne prosessen kan utføres ved 400-450 ° C, et trykk på ca. 5-15 MPa. Wolfram sulfid, blandede wolfram-nikkel sulfid katalysatorer på bærere, kobolt-molybden katalysatorer på aluminiumoksid, med tilsetninger av Ni, Pt, Pd og andre metaller på amorfe eller krystallinske zeolitter brukes som katalysatorer.

Tabell 2.1 - Moderne katalytiske oljeraffineringsprosesser

Isomerisering. For å forbedre kvaliteten tilsettes 10-15 masse% høyt oktan-isomerat til bensin. Isomerizatet er en blanding av mettet alifatisk (det er ingen sykluser i molekylene) hydrokarboner av isostruktur (mer enn 65 vekt% 2-metylbutan; isoheksaner) oppnådd ved isomerisering av alkaner (normale mettede parafiner). Råmaterialet for isomerisering er en lett bensinfraksjon av direkte destillasjon av olje, kokende i området 62-85 ° C og inneholder hovedsakelig pentan og heksan, samt en fraksjon (75-150 ° C) oppnådd ved katalytisk krakking. Katalytiske isomeriseringsprosesser finner sted i nærvær av bifunksjonelle katalysatorer: platina eller palladium på forskjellige syrebærere (γ-Al203, zeolit), promotert med halogen (Cl, F). Isomerisering er transformasjon av organiske stoffer til forbindelser med en annen struktur (strukturell isomerisme) eller med et annet arrangement av atomer eller grupper i rommet (romlig isomerisme) uten å endre sammensetningen og molekylvekten.

Dermed inntar katalytiske prosesser en ledende posisjon innen oljeraffinering. Takket være katalyse har verdien av produkter hentet fra olje blitt økt flere ganger.

En mer lovende mulighet for katalytiske metoder i oljeraffinering er avvisning av den globale transformasjonen som ligger i moderne prosesser av alle komplekse forbindelser som finnes i oljer. Så, alle svovelforbindelser gjennomgår hydrogenolyse med frigjøring av hydrogensulfid. I mellomtiden er mange av dem av betydelig uavhengig verdi. Det samme gjelder nitrogenholdig metallkompleks og mange andre forbindelser. Det ville være veldig viktig å isolere disse stoffene eller utsette dem for individuelle katalytiske transformasjoner for å oppnå verdifulle produkter. Et eksempel er produksjon av svovelholdige ekstraksjonsmidler som sulfoksider og sulfoner dannet under katalytisk oksidasjon av svovelforbindelser inneholdt i olje og kjeledrivstoff. Det er ingen tvil om at denne måten katalyse vil øke effektiviteten av oljeraffinering betydelig.

Ved sammensetning er katalysatorer delt inn i 1) modifisert; 2) blandede og 3) medier.

1) Modifiserte katalysatorer. Modifier er et tillegg til en katalysator av en liten (opptil 10 - 12 vekt%) mengde av et annet stoff som ikke er katalytisk aktivt for denne reaksjonen, men forbedrer visse katalysatorens egenskaper (termisk stabilitet, styrke, giftresistens). Hvis en modifikator øker aktiviteten, er den en promoter. Etter handlingens art er arrangørene delt inn i a) elektronisk, forårsaker deformasjon av krystallgitterene i katalysatoren eller endring av arbeidsfunksjonen til elektroner i ønsket retning. For eksempel tilsetning av Cl - til en sølvkatalysator for oksidasjon av metanol: CH30H® CH20; b) stabiliserendehindrer sintring av den spredte strukturen til katalysatoren. For eksempel stabiliserer promotorene Al203 og Si02 de primære krystallene til jernkatalysatoren ved syntesen av ammoniakk: N2 + 3H2 ® 2NH3. På den første operasjonsdagen sintres krystallene og forstørres fra 6 til 20 nm. Tilførselen av fri energi ved krystallgrensesnittet avtar og aktiviteten avtar. De introduserte promotorene smelter ved synteses temperatur uten å bli redusert, omslutter krystallene med en tynn film og forhindrer sintring av dem. Imidlertid har begge tilsetningsstoffene en sur overflate som NH3-molekylet er sterkt adsorbert på, og forhindrer sorpsjonen av nitrogenmolekyler, og katalysatoraktiviteten avtar. i) strukturdannende, nøytraliserende sure sentre Al203 og Si02. For eksempel K20, CaO og MgO, men mengden bør ikke være mer enn 4-5 vekt%, siden de har en mineraliserende effekt, dvs. fremme sintring av Fe-krystaller.

2) Blandede katalysatorer. Blandede katalysatorer kalles katalysatorer som inneholder flere komponenter katalytisk aktive for en gitt reaksjon, tatt i like store mengder.Aktiviteten til slike katalysatorer er ikke additiv, men får en ekstrem verdi av følgende grunner: dannelsen av mekaniske blandinger med større fasegrense, dvs. med stor tilførsel av gratis energi (for eksempel for reaksjonen НСºНС + Н 2 О ® С -3 -СНО er katalysatoren en blanding av CdO + CaO / P205 \u003d 3-4; ved et molforhold på £ 3, observeres høy selektivitet, men styrken til katalysatorgranulatene er lav; ved ³4 - høy styrke av granuler, men lav selektivitet); dannelsen av faste løsninger som spineller (for eksempel i V205 + MoO3-oksidasjonskatalysatoren, er Mo +6-kationen innlemmet i de ledige stillingene til V205-krystallgitteret. Gitterdeformasjon fører til en økning i systemets frie energi; dannelse av nye mer aktive katalysatorer under reaksjonsbetingelsene(for eksempel for syntesen av metanol CO + 2H 2 ® CH30H, brukes en krom-sink katalysator:

ZnO + CrO 3 + Н 2 О ® ZnCrO 4 × Н 2 О

2ZnCrO 4 × Н 2 О + 3Н 2 ® + 5Н 2 О

I firkantede parenteser vises den aktive fasen oppnådd etter katalysatorreduksjon, som i det vesentlige er en ny katalysator.

3) Støttede katalysatorer. Bæreren bestemmer formen og størrelsen på granulatene, den optimale porøse strukturen, styrke, varmebestandighet, kostnadsreduksjon. Noen ganger øker det aktiviteten (se ligandfeltteori). Medieklassifisering: syntetisk - kiselgel, aktivert karbon, aluminiumoksid (g, a), keramikk; naturlig - pimpstein, diatomitt; etter porevolum - porøs (mer enn 10%), ikke-porøs (10% eller mindre); etter kornstørrelse - stor (1-5 mm), liten (0,1-1,0 mm), fin (mindre enn 0,1 mm); etter spesifikk overflate - liten (mindre enn 1 m 2 / g), middels (1-50 m 2 / g), utviklet (mer enn 50 m 2 / g).

Innholdet i artikkelen

KATALYSE,akselerasjon av kjemiske reaksjoner under påvirkning av små mengder stoffer (katalysatorer), som ikke selv endrer seg under reaksjonen. Katalytiske prosesser spiller en stor rolle i livet vårt. Biologiske katalysatorer kalt enzymer er involvert i reguleringen av biokjemiske prosesser. Mange industrielle prosesser kunne ikke fortsette uten katalysatorer.

Den viktigste egenskapen til katalysatorer er selektivitet, dvs. evnen til å øke hastigheten på bare visse kjemiske reaksjoner av mange mulige. Dette tillater reaksjoner som under normale forhold er for sakte til å finne praktisk bruk, og gir dannelsen av de ønskede produktene.

Bruk av katalysatorer bidro til den raske utviklingen av kjemisk industri. De brukes mye i oljeraffinering, skaffe forskjellige produkter, skape nye materialer (for eksempel plast), ofte billigere enn de som ble brukt før. Omtrent 90% av volumet av moderne kjemisk produksjon basert på katalytiske prosesser. Katalytiske prosesser spiller en spesiell rolle i miljøvernet.

De fleste katalytiske reaksjoner utføres ved et spesifikt trykk og temperatur, idet reaksjonsblandingen føres i gass eller flytende tilstand gjennom en reaktor fylt med katalysatorpartikler. Følgende termer brukes for å beskrive reaksjonsbetingelser og produktegenskaper. Volumetrisk hastighet er volumet av en gass eller væske som passerer gjennom et enhetsvolum av en katalysator per tidsenhet. Katalytisk aktivitet er mengden reagenser omgjort til produkter av katalysatoren per tidsenhet. Konvertering er brøkdelen av et stoff omdannet i en gitt reaksjon. Selektivitet er forholdet mellom mengden av et bestemt produkt og den totale mengden produkter (vanligvis uttrykt i prosent). Utbytte er forholdet mellom mengden av et gitt produkt og mengden utgangsmateriale (vanligvis uttrykt i prosent). Produktivitet er antall reaksjonsprodukter dannet per volumsenhet per tidsenhet.

KATALYSTTYPER

Katalysatorer klassifiseres ut fra reaksjonen de akselererer, deres kjemiske sammensetning eller fysiske egenskaper. Nesten alle kjemiske grunnstoffer og stoffer har katalytiske egenskaper i en eller annen grad - enten alene eller, oftere, i forskjellige kombinasjoner. I følge deres fysiske egenskaper katalysatorer er delt inn i homogen og heterogen. Heterogene katalysatorer er faste stoffer som er homogene dispergert i samme gassformige eller flytende medium som reaktantene.

Mange heterogene katalysatorer inneholder metaller. Noen metaller, spesielt de som tilhører gruppe VIII i det periodiske elementet, har katalytisk aktivitet alene; et typisk eksempel er platina. Men de fleste metaller har katalytiske egenskaper når de er i sammensetningen av forbindelser; et eksempel er aluminiumoksyd (aluminiumoksid Al203).

En uvanlig egenskap hos mange heterogene katalysatorer er deres store overflateareal. De penetreres av mange porer, hvis totale areal noen ganger når 500 m2 per 1 g katalysator. I mange tilfeller tjener oksider med stort overflateareal som en støtte som metallkatalysatorpartikler avsettes i form av små klynger. Dette sikrer effektiv interaksjon av reaktantene i gass- eller væskefasen med det katalytisk aktive metallet. Zeolitter - krystallinske mineraler i gruppen aluminosilikater (silisium- og aluminiumforbindelser) utgjør en spesiell klasse av heterogene katalysatorer. Selv om mange heterogene katalysatorer har stort overflateareal, har de vanligvis bare et lite antall aktive steder, som utgjør en liten brøkdel av det totale overflatearealet. Katalysatorer kan miste sin aktivitet i nærvær av små mengder kjemiske forbindelser kalt katalytiske giftstoffer. Disse stoffene binder seg til aktive sentre og blokkerer dem. Bestemmelse av strukturen til aktive sentre er gjenstand for intensiv forskning.

Homogene katalysatorer er av forskjellig kjemisk karakter - syrer (H2SO4 eller H3P04), baser (NaOH), organiske aminer, metaller, ofte overgangsperioder (Fe eller Rh), i form av salter, organometalliske forbindelser eller karbonyler. Katalysatorer inkluderer også enzymer - proteinmolekyler som regulerer biokjemiske reaksjoner. Det aktive stedet for noen enzymer inneholder et metallatom (Zn, Cu, Fe eller Mo). Metallholdige enzymer katalyserer reaksjoner som involverer små molekyler (O 2, CO 2 eller N 2). Enzymer har veldig høy aktivitet og selektivitet, men fungerer bare når visse forhold, slik som reaksjoner finner sted i levende organismer. I industrien, den såkalte. immobiliserte enzymer.

HVORDAN KATALYSTER FUNGERER

Energi.

Enhver kjemisk reaksjon kan bare foregå under forutsetning av at reagensene overvinner energibarrieren, og for dette må de skaffe seg en viss energi. Som vi har sagt, består den katalytiske reaksjonen X ® Y av flere påfølgende trinn. Hver av dem krever energi for å strømme Ekalt aktiveringsenergi. Endringen i energi langs reaksjonskoordinaten er vist i fig. en.

La oss først vurdere den ikke-katalytiske, "termiske" banen. For at reaksjonen skal finne sted, må den potensielle energien til molekylene X overstige energibarrieren E m. Den katalytiske reaksjonen består av tre trinn. Den første er dannelsen av X-Cat-komplekset. (kjemisorpsjon), hvis aktiveringsenergi er E helvete. Den andre fasen er X-Cat omgruppering. ® Y-Cat. med aktiveringsenergi E kat, og til slutt den tredje desorpsjonen med aktiveringsenergi E ti; E helvete, E kat og E ti mye mindre E m. Siden reaksjonshastigheten eksponensielt avhenger av aktiveringsenergien, fortsetter den katalytiske reaksjonen mye raskere enn den termiske ved en gitt temperatur.

Katalysatoren kan sammenlignes med en guideinstruktør som leder klatrere (reagerende molekyler) gjennom et fjellkjede. Han leder en gruppe gjennom passet og returnerer deretter til den neste. Stien gjennom passet ligger godt under den som ligger gjennom toppen (termisk reaksjonskanal), og gruppen gjør overgangen raskere enn uten en leder (katalysator). Det er til og med mulig at gruppen alene ikke hadde klart å overvinne ryggen i det hele tatt.

Katalyseteori.

Tre grupper av teorier er blitt foreslått for å forklare mekanismen for katalytiske reaksjoner: geometriske, elektroniske og kjemiske. I geometriske teorier er hovedoppmerksomheten rettet mot samsvaret mellom den geometriske konfigurasjonen av atomene til de aktive sentrene i katalysatoren og atomene til den delen av de reagerende molekylene, som er ansvarlig for binding til katalysatoren. Elektroniske teorier går ut fra tanken som kjemisorpsjon skyldes elektronisk interaksjonforbundet med overføring av belastning, dvs. disse teoriene knytter katalytisk aktivitet til de elektroniske egenskapene til katalysatoren. Kjemisk teori ser på en katalysator som en kjemisk forbindelse med karakteristiske egenskaper som danner kjemiske bindinger med reagenser, noe som resulterer i dannelsen av et ustabilt overgangskompleks. Etter spaltning av komplekset med frigjøring av produktene, går katalysatoren tilbake til sin opprinnelige tilstand. Sistnevnte teori blir nå ansett som den mest adekvate.

På molekylært nivå kan en katalytisk gassfasereaksjon bli representert som følger. Det ene reagerende molekylet binder seg til det aktive stedet for katalysatoren, mens det andre reagerer med det, og er direkte i gassfasen. En alternativ mekanisme er også mulig: De reagerende molekylene adsorberes på nærliggende aktive steder i katalysatoren, og interagerer deretter med hverandre. Tilsynelatende er dette slik de fleste katalytiske reaksjoner fortsetter.

Et annet konsept antar at det er et forhold mellom den romlige anordningen av atomer på katalysatoroverflaten og dens katalytiske aktivitet. Hastigheten til noen katalytiske prosesser, inkludert mange hydrogeneringsreaksjoner, avhenger ikke av den gjensidige ordningen av katalytisk aktive atomer på overflaten; Andres hastighet, tvert imot, endres betydelig med en endring i den romlige konfigurasjonen av overflateatomer. Et eksempel er isomerisering av neopentan til isopentan og samtidig krakking av sistnevnte til isobutan og metan på overflaten av Pt-Al203-katalysatoren.

ANVENDELSE AV KATALYSE I INDUSTRIEN

Den raske industrielle veksten vi for øyeblikket opplever, hadde ikke vært mulig uten utvikling av nye kjemiske teknologier. I stor grad bestemmes denne fremgangen av den utstrakte bruken av katalysatorer, ved hjelp av lavkvalitetsråvarer som blir omdannet til produkter av høy verdi. Figurativt sett er katalysatoren filosofens stein til den moderne alkymisten, bare den blir ikke bly til gull, men råvarer til medisiner, plast, kjemikalier, drivstoff, gjødsel og andre nyttige produkter.

Kanskje den aller første katalytiske prosessen som mennesker har lært å bruke, er gjæring. Oppskrifter for å lage alkoholholdige drikker var kjent for sumererne så langt tilbake som 3500 f.Kr. Cm... VIN; ØL.

En betydelig milepæl i praktisk anvendelse katalyse var produksjonen av margarin ved katalytisk hydrogenering av vegetabilsk olje. For første gang ble denne reaksjonen i industriell skala utført rundt 1900. Og fra 1920-tallet ble den ene etter den andre utviklet katalytiske metoder for å produsere nye organiske materialer, først og fremst plast. Sentralt punkt den katalytiske produksjonen av olefiner, nitriler, etere, syrer, etc. - "murstein" for kjemisk "konstruksjon" av plast.

Den tredje bølgen av industriell bruk av katalytiske prosesser skjedde på 1930-tallet og er forbundet med oljeraffinering. Volummessig etterlot denne produksjonen snart alle andre langt bak. Oljeraffinering består av flere katalytiske prosesser: krakking, reformering, hydrosvovling, hydrokraking, isomerisering, polymerisering og alkylering.

Endelig er den fjerde bølgen i bruken av katalyse knyttet til miljøvern. Den mest kjente prestasjonen i dette området er å lage en katalysator for bilgass. Katalysatorer, som har blitt installert på biler siden 1975, har spilt stor rolle i å forbedre luftkvaliteten og dermed reddet mange liv.

Omtrent et dusin nobelpriser er tildelt for arbeid innen katalyse og relaterte felt.

Den praktiske betydningen av katalytiske prosesser fremgår av det faktum at nitrogen, som er en del av industrielt oppnådde nitrogenholdige forbindelser, utgjør omtrent halvparten av alt nitrogen som inngår i matvarer. Naturlig dannede nitrogenforbindelser er begrenset, så proteinproduksjon avhenger av mengden nitrogen som tilføres jorden med gjødsling. Det ville være umulig å mate til og med halvparten av menneskeheten uten syntetisk ammoniakk, som nesten bare oppnås ved hjelp av Haber-Bosch katalytiske prosess.

Anvendelsesområdet for katalysatorer utvides stadig. Det er også viktig at katalyse kan øke effektiviteten til tidligere utviklede teknologier betydelig. Et eksempel er forbedringen i katalytisk sprekkdannelse ved bruk av zeolitter.

Hydrogenering.

Et stort antall katalytiske reaksjoner er forbundet med aktivering av et hydrogenatom og noe annet molekyl, noe som fører til deres kjemiske interaksjon. Denne prosessen kalles hydrogenering og ligger til grunn for mange av trinnene i oljeraffinering og produksjon av flytende drivstoff fra kull (Bergius-prosessen).

Produksjonen av luftbensin og motorbrensel fra kull ble utviklet i Tyskland under andre verdenskrig, da det ikke er noe oljefelt... Bergius-prosessen innebærer direkte tilsetning av hydrogen til kull. Kullet blir oppvarmet under trykk i nærvær av hydrogen for å produsere et flytende produkt, som deretter blir bearbeidet til luftbensin og motorbrensel. Jernoksid brukes som katalysator, så vel som katalysatorer basert på tinn og molybden. Under krigen produserte 12 fabrikker i Tyskland, ved hjelp av Bergius-prosessen, ca 1400 tonn flytende drivstoff per dag.

En annen prosess, Fischer-Tropsch, består av to trinn. For det første blir kullet forgasset, dvs. den reageres med damp og oksygen, og det oppnås en blanding av hydrogen og karbonoksider. Denne blandingen omdannes til flytende drivstoff ved hjelp av katalysatorer som inneholder jern eller kobolt. Mot slutten av krigen ble produksjonen av syntetisk drivstoff fra kull i Tyskland avviklet.

Som et resultat av økningen i oljeprisen etter oljeembargoen 1973-1974 ble det gjort en kraftig innsats for å utvikle en økonomisk levedyktig måte å produsere bensin fra kull. Dermed kan den direkte kondensering av kull utføres mer effektivt ved anvendelse av en totrinnsprosess, hvor kullet først kommer i kontakt med en aluminium-kobolt-molybden-katalysator ved en relativt lav og deretter ved en høyere temperatur. Kostnaden for slik syntetisk bensin er høyere enn den som oppnås fra olje.

Ammoniakk.

En av de enkleste hydrogeneringsprosessene fra et kjemisk synspunkt er syntesen av ammoniakk fra hydrogen og nitrogen. Nitrogen er et veldig inert stoff. For å bryte N-N-bindingen i molekylet, kreves en energi på ca. 200 kcal / mol. Imidlertid binder nitrogen seg til overflaten av jernkatalysatoren i atomisk tilstand, og dette krever bare 20 kcal / mol. Hydrogen binder seg til jern enda lettere. Ammoniakk-syntese forløper som følger:

Dette eksemplet illustrerer evnen til en katalysator til å akselerere både forover- og reversreaksjoner likt, dvs. E. det faktum at katalysatoren ikke endrer likevektsposisjonen til den kjemiske reaksjonen.

Hydrogenering av vegetabilsk olje.

En av de viktigste i praktiske termer hydrogeneringsreaksjoner er ufullstendig hydrogenering av vegetabilske oljer til margarin, matolje og andre matvarer. Vegetabilske oljer er hentet fra soyabønner, bomullsfrø og andre avlinger. De er sammensatt av estere, nemlig triglyserider av fettsyrer med varierende grad av umettethet. Oljesyre CH3 (CH2) 7 CH \u003d CH (CH2) 7 COOH har en dobbeltbinding C \u003d C, linolsyre - to og linolensyre - tre. Tilsetningen av hydrogen for å bryte denne bindingen forhindrer at oljene oksiderer (harsk). Dette øker smeltepunktet. Hardheten til de fleste oppnådde produkter avhenger av graden av hydrogenering. Hydrogenering utføres i nærvær av fint dispergert nikkelpulver avsatt på et substrat eller en Raney nikkelkatalysator i en sterkt renset hydrogenatmosfære.

Dehydrogenering.

Dehydrogenering er også en industriell viktig katalytisk reaksjon, selv om omfanget av dens anvendelse er uforlignelig mindre. Med hjelpen oppnås for eksempel styren, en viktig monomer. For dette dehydrogeneres etylbenzen i nærvær av en katalysator inneholdende jernoksid; kalium og noe strukturell stabilisator bidrar også til reaksjonen. Dehydrogenering av propan, butan og andre alkaner utføres i industriell skala. Butener og butadien oppnås ved dehydrogenering av butan i nærvær av en kromaluminiumoksydkatalysator.

Syrekatalyse.

Den katalytiske aktiviteten til en stor klasse katalysatorer skyldes deres sure egenskaper. Ifølge I. Bronsted og T. Lowry er en syre en forbindelse som kan donere et proton. Sterke syrer donerer lett protonene sine til baser. Konseptet med surhet ble videreutviklet i verk av G. Lewis, som definerte en syre som et stoff som er i stand til å akseptere et elektronpar fra et donorsubstans med dannelsen av en kovalent binding på grunn av sosialiseringen av dette elektronparet. Disse ideene, sammen med ideer om reaksjoner med dannelsen av karbeniumioner, bidro til å forstå mekanismen til forskjellige katalytiske reaksjoner, spesielt de der hydrokarboner er involvert.

Styrken til en syre kan bestemmes ved hjelp av et sett med baser som endrer farge når et proton er festet. Det viser seg at noen industrielt viktige katalysatorer oppfører seg som veldig sterke syrer. Disse inkluderer Friedel-Crafts-katalysatoren slik som HCl-AlCl203 (eller HAlCl4) og aluminosilikater. Styrken til syren er en veldig viktig egenskap fordi den påvirker protonasjonshastigheten, et viktig trinn i syrekatalyseprosessen.

Aktiviteten til katalysatorer som aluminosilikater som brukes i oljesprengning bestemmes av tilstedeværelsen av Brønsted og Lewis-syrer på overflaten. Strukturen deres ligner på silika (silisiumdioksid), der noen av Si 4+ -atomer er erstattet av Al 3+ -atomer. Den overskytende negative ladningen som følge av dette kan nøytraliseres av de tilsvarende kationene. Hvis kationene er protoner, oppfører aluminosilikatet seg som en Brønsted-syre:

Aktiviteten til syrekatalysatorer bestemmes av deres evne til å reagere med hydrokarboner for å danne et karbeniumion som et mellomprodukt. Alkylkarbeniumioner inneholder et positivt ladet karbonatom bundet til tre alkylgrupper og / eller hydrogenatomer. De spiller en viktig rolle som mellomprodukter dannet i mange reaksjoner som involverer organiske forbindelser. Virkningsmekanismen til syrekatalysatorer kan illustreres ved eksemplet på isomeriseringsreaksjonen n-butan til isobutan i nærvær av HCl-AlCl3 eller Pt-Cl-Al203. Først fester en liten mengde C4H8-olefin det positivt ladede hydrogenionet i syrekatalysatoren for å danne et tertiært karbeniumion. Deretter skilles det negativt ladede hydridionet H - fra n-butan med dannelse av isobutan og sekundært butylkarbeniumion. Sistnevnte, som et resultat av omlegging, blir omdannet til et tertiært karbeniumion. Denne kjeden kan fortsette med eliminering av hydridionet fra neste molekyl n-butan osv.:

Det er viktig at tertiære karbenioner er mer stabile enn primære eller sekundære. Som et resultat er de hovedsakelig til stede på katalysatoroverflaten, og derfor er isobutan hovedproduktet av butanisomerisering.

Syrekatalysatorer brukes mye i petroleumsraffinering - krakking, alkylering, polymerisering og isomerisering av hydrokarboner. Virkningsmekanismen til karbeniumioner, som spiller katalysatorens rolle i disse prosessene, er etablert. Samtidig er de involvert i en rekke reaksjoner, inkludert dannelse av små molekyler ved å splitte store, kombinasjonen av molekyler (olefin med olefin eller olefin med isoparaffin), strukturell omlegging ved isomerisering, dannelse av parafiner og aromatiske hydrokarboner ved hydrogenoverføring.

En av de nyeste industrielle anvendelsene av syrekatalyse er produksjon av blyholdig drivstoff ved å tilsette alkoholer til isobutylen eller isoamylen. Tilsetningen av oksygenholdige forbindelser til bensin reduserer konsentrasjonen av karbonmonoksid i eksosen. Metyl- gni-butyleter (MTBE) med et blandetoktantall på 109 lar deg også oppnå drivstoff med høyt oktan, noe som er nødvendig for drift av en bilmotor med høyt kompresjonsforhold uten å ty til innføring av tetraetyl-bly i bensin. Produksjonen av drivstoff med oktantal 102 og 111 er også organisert.

Grunnleggende katalyse.

Aktiviteten til katalysatorer bestemmes av deres grunnleggende egenskaper. Gammelt og godt kjent eksempel slike katalysatorer er natriumhydroksyd, som brukes til hydrolyse eller forsæbning av fett i produksjonen av såpe, og et av de nyeste eksemplene er de som brukes i produksjonen av polyuretanplast og skum. Uretan dannes ved samspill mellom alkohol og isocyanat, og denne reaksjonen akselereres i nærvær av basiske aminer. I løpet av reaksjonen er en base festet til karbonatomet i isocyanatmolekylet, som et resultat av at en negativ ladning vises på nitrogenatomet og dets aktivitet mot alkohol øker. Trietylendiamin er en spesielt effektiv katalysator. Polyuretanplast produseres ved å omsette diisocyanater med polyoler (polyalkoholer). Når isocyanatet reagerer med vann, spaltes det tidligere dannede uretanet for å frigjøre CO 2. Når en blanding av polyalkohol og vann samhandler med diisocyanater, blir det resulterende polyuretanskumet skummet med gassformig CO 2.

Dobbeltvirkende katalysatorer.

Disse katalysatorene akselererer de to reaksjonstyper og gir bedre resultater enn å føre reaktantene sekvensielt gjennom to reaktorer, som hver inneholder bare en type katalysator. Dette skyldes det faktum at de aktive stedene til den dobbeltvirkende katalysatoren er veldig nær hverandre, og det mellomprodukt som dannes på en av dem blir umiddelbart til sluttproduktet på den andre.

Et godt resultat oppnås ved å kombinere en katalysator som aktiverer hydrogen med en katalysator som fremmer isomerisering av hydrokarboner. Hydrogen aktiveres av noen metaller, og hydrokarboner isomeriseres av syrer. Fin platina støttet på sur aluminiumoksyd er en effektiv dobbeltvirkende katalysator som brukes i oljeraffinering for å omdanne nafta til bensin. Konvertering av naftakomponenter som metylsyklopentan (MCP) til benzen øker oktantallet av bensin. Først dehydreres MCP på platina-delen av katalysatoren til en olefin med samme karbon-ryggrad; deretter overføres olefinen til den sure delen av katalysatoren, hvor den isomeriseres til cykloheksen. Sistnevnte går over til platindelen og dehydrerer til benzen og hydrogen.

Dobbeltvirkende katalysatorer akselererer oljereformeringen betydelig. De brukes til å isomerisere normale parafiner til isoparaffiner. Sistnevnte, som koker ved de samme temperaturene som bensinfraksjoner, er verdifulle ved at de har et høyere oktantall sammenlignet med uforgrenede hydrokarboner. Videre transformasjonen n-butan til isobutan ledsages av dehydrogenering, noe som bidrar til produksjonen av MTBE.

Stereospesifikk polymerisering.

En viktig milepæl i katalysehistorien var oppdagelsen av katalytisk polymerisering enα-olefiner for å danne stereoregulære polymerer. Stereospesifikke polymeriseringskatalysatorer ble oppdaget av K. Ziegler da han prøvde å forklare de uvanlige egenskapene til polymerene han oppnådde. En annen kjemiker, J. Natta, foreslo at det unike med Ziegler-polymerer bestemmes av deres stereoregularitet. Røntgendiffraksjonseksperimenter har vist at polymerer fremstilt fra propylen i nærvær av Ziegler-katalysatorer er svært krystallinske og faktisk har en stereoregulær struktur. For å beskrive slike ordnede strukturer, laget Natta begrepene isotaktisk og syndiotaktisk. I tilfelle der det ikke er noen bestilling, brukes begrepet "ataktisk":

En stereospesifikk reaksjon forekommer på overflaten av faste katalysatorer som inneholder overgangsmetaller i gruppe IVA - VIII (slik som Ti, V, Cr, Zr), som er i en ufullstendig oksidert tilstand, og en hvilken som helst forbindelse som inneholder karbon eller hydrogen, som er bundet til et metall fra gruppe I - III. Et klassisk eksempel på en slik katalysator er bunnfallet dannet under interaksjonen mellom TiCl4 og Al (C2H5) 3 i heptan, hvor titan reduseres til den treverdige tilstanden. Dette ekstremt aktive systemet katalyserer polymeriseringen av propylen ved omgivelsestemperatur og trykk.

Katalytisk oksidasjon.

Bruken av katalysatorer for å kontrollere kjemien i oksidasjonsprosesser er av stor vitenskapelig og praktisk betydning. I noen tilfeller må oksidasjon være fullstendig, for eksempel når man nøytraliserer CO- og hydrokarbonforurensninger i bilgass. Imidlertid er det oftere nødvendig at oksidasjonen er ufullstendig, for eksempel i mange prosesser som er mye brukt i industrien for omdannelse av hydrokarboner til verdifulle mellomprodukter som inneholder funksjonelle grupper som –CHO, –COOH, –C - CO, –CN. I dette tilfellet brukes både homogene og heterogene katalysatorer. Et eksempel på en homogen katalysator er et overgangsmetallkompleks som brukes til å oksidere par-xylen til tereftalsyre, hvis estere er grunnlaget for produksjonen av polyesterfibre.

Heterogene oksidasjonskatalysatorer.

Disse katalysatorene er vanligvis komplekse faste oksyder. Katalytisk oksidasjon finner sted i to trinn. Først fanges oksygenet av oksydet av et hydrokarbonmolekyl adsorbert på overflaten av oksidet. I dette tilfellet oksyderes hydrokarbonet og oksidet reduseres. Det reduserte oksidet reagerer med oksygen og går tilbake til sin opprinnelige tilstand. Ved bruk av en vanadiumkatalysator oppnås ftalsyreanhydrid ved ufullstendig oksidasjon av naftalen eller butan.

Oppnåelse av etylen ved metan-dehydrodimerisering.

Syntesen av etylen gjennom dehydrodimerisering gjør at naturgass kan omdannes til lettere transportable hydrokarboner. Reaksjonen 2CH4 + 2O2® C2H4 + 2H20 utføres ved 850 ° C ved bruk av forskjellige katalysatorer; best resultat oppnådd med katalysator Li-MgO. Antagelig fortsetter reaksjonen gjennom dannelsen av et metylradikal ved eliminering av et hydrogenatom fra et metanmolekyl. Spaltning utføres av ufullstendig redusert oksygen, for eksempel O 2 2–. Metylradikaler i gassfasen rekombineres for å danne et etanmolekyl og omdannes til etylen under påfølgende dehydrogenering. Et annet eksempel på ufullstendig oksidasjon er omdannelsen av metanol til formaldehyd i nærvær av en sølv- eller jern-molybden-katalysator.

Zeolitter.

Zeolitter utgjør en spesiell klasse av heterogene katalysatorer. Dette er aluminosilikater med en ordnet bikakestruktur, hvis cellestørrelse kan sammenlignes med størrelsen på mange organiske molekyler. De kalles også molekylsikter. Av største interesse er zeolitter, hvis porer er dannet av ringer som består av 8–12 oksygenioner (fig. 2). Noen ganger overlapper porene, som i zeolit \u200b\u200bZSM-5 (fig. 3), som brukes til meget spesifikk omdannelse av metanol til hydrokarboner i bensinfraksjonen. Bensin inneholder betydelige mengder aromatiske hydrokarboner og har derfor et høyt oktantall. I New Zealand, for eksempel, oppnås en tredjedel av all forbrukt bensin ved hjelp av denne teknologien. Metanol er hentet fra importert metan.

Katalysatorene som utgjør Y-zeolittgruppen øker effektiviteten av katalytisk krakking betydelig på grunn av deres uvanlige sure egenskaper. Erstatning av aluminosilikater med zeolitter øker bensinutbyttet med mer enn 20%.

I tillegg er zeolitter selektive for størrelsen på de reagerende molekylene. Deres selektivitet skyldes størrelsen på porene som molekyler av bare bestemte størrelser og former kan passere gjennom. Dette gjelder både utgangsmaterialene og reaksjonsproduktene. For eksempel på grunn av steriske begrensninger par-xylen dannes lettere enn klumpete orto- og meta-isomerer. Sistnevnte er "låst" i porene til zeolitten (fig. 4).

Bruken av zeolitter har gjort en reell revolusjon i noen industrielle teknologier - avvoksing av gassolje og maskinolje, oppnåelse av kjemiske mellomprodukter for produksjon av plast ved alkylering av aromatiske forbindelser, isomerisering av xylen, disproporsjonering av toluen og katalytisk krakking av olje. Zeolite ZSM-5 er spesielt effektiv her.

Katalysatorer og miljøvern.

Bruk av katalysatorer for å redusere luftforurensning begynte på slutten av 1940-tallet. I 1952 slo A. Hagen-Smith fast at hydrokarboner og nitrogenoksider i eksosgasser reagerer på lys med dannelse av oksidanter (spesielt ozon), som irriterer øynene og gir andre uønskede effekter. Rundt samme tid utviklet J. Howdrey en metode for katalytisk rensing av eksosgasser ved å oksidere CO og hydrokarboner til CO 2 og H 2 O. I 1970 ble erklæringen om ren luft formulert (oppdatert i 1977, utvidet i 1990), ifølge hvilken alle nye biler fra 1975-modeller må være utstyrt med katalysatorer. Det er etablert standarder for sammensetningen av eksosgassene. Fordi blyforbindelser tilsatt bensingiftskatalysatorer, er det vedtatt et utfasingsprogram. Det ble også oppmerksom på behovet for å redusere innholdet av nitrogenoksider.

Katalysatorer er laget spesielt for bilomformere, der de aktive komponentene avsettes på et keramisk underlag med en bikakestruktur, gjennom cellene som eksosgassene passerer. Bæreren er dekket av et tynt lag av et metalloksyd, for eksempel Al203, hvor en katalysator påføres - platina, palladium eller rodium. Innholdet av nitrogenoksider dannet under forbrenningen av naturlige drivstoffer i termiske kraftverk kan reduseres ved å tilsette små mengder ammoniakk til røykgassene og føre dem gjennom en titan-vanadinkatalysator.

Enzymer.

Enzymer er naturlige katalysatorer som regulerer biokjemiske prosesser i en levende celle. De deltar i prosessene med energiutveksling, nedbryting av næringsstoffer og biosyntese-reaksjoner. Mange komplekse organiske reaksjoner kan ikke fortsette uten dem. Enzymer fungerer ved vanlig temperatur og trykk, er veldig selektive og kan øke reaksjonshastigheten med åtte størrelsesordener. Til tross for disse fordelene er det bare ca. Av de 15 000 kjente enzymene er 20 mye brukt.

I tusenvis av år har mennesker brukt enzymer til å bake brød og lage alkoholholdige drikker, ost og eddik. Nå brukes enzymer også i industrien: i prosessering av sukker, produksjon av syntetiske antibiotika, aminosyrer og proteiner. Proteolytiske enzymer, som fremskynder hydrolyseprosesser, tilsettes vaskemidler.

Ved hjelp av bakterier Clostridium acetobutylicum H. Weizmann utførte den enzymatiske omdannelsen av stivelse til aceton og butylalkohol. Denne metoden for å produsere aceton ble mye brukt i England under første verdenskrig, og under andre verdenskrig ble butadienegummi produsert med sin hjelp i Sovjetunionen.

En ekstremt viktig rolle ble spilt av bruk av enzymer produsert av mikroorganismer for syntese av penicillin, så vel som streptomycin og vitamin B12.

Enzymatisk etylalkohol er mye brukt som drivstoff til kjøretøy. I Brasil kjører mer enn en tredjedel av de rundt 10 millioner kjøretøyene på 96% etylalkohol, hentet fra sukkerrør, mens resten kjører på en blanding av bensin og etylalkohol (20%). Teknologien for produksjon av drivstoff, som er en blanding av bensin og alkohol, i USA er godt utviklet. I 1987 ble ca. 4 milliarder liter alkohol, hvorav cirka 3,2 milliarder liter ble brukt som drivstoff. Ulike applikasjoner finnes, og såkalte. immobiliserte enzymer. Disse enzymene er bundet til en fast bærer slik som silikagel som reagensene føres over. Fordelen med denne metoden er at den gir effektiv kontakt av substrater med enzymet, separasjon av produkter og konservering av enzymet. Et eksempel på industriell bruk av immobiliserte enzymer er isomerisering av D-glukose til fruktose.

TEKNOLOGISKE ASPEKTER

Moderne teknologier kan ikke forestilles uten bruk av katalysatorer. Katalytiske reaksjoner kan fortsette ved temperaturer opp til 650 ° C og trykk på 100 atm eller mer. Dette fører til nye løsninger på problemene knyttet til kontakt mellom gassformige og faste stoffer og med overføring av katalysatorpartikler. For at prosessen skal være effektiv, må dens modellering ta hensyn til de kinetiske, termodynamiske og hydrodynamiske aspektene. Datasimulering er mye brukt her, samt nye enheter og metoder for overvåking av teknologiske prosesser.

I 1960 ble det gjort betydelige fremskritt i produksjonen av ammoniakk. Bruken av en mer aktiv katalysator gjorde det mulig å senke temperaturen på hydrogenproduksjonen under spaltning av vanndamp, på grunn av hvilket det var mulig å senke trykket og derfor redusere produksjonskostnadene, for eksempel ved bruk av billigere sentrifugalkompressorer. Som et resultat har kostnadene for ammoniakk falt med mer enn halvparten, det har vært en enorm økning i produksjonen, og i denne forbindelse en økning i matproduksjon, siden ammoniakk er en verdifull gjødsel.

Metoder.

Forskning innen katalyse utføres ved hjelp av både tradisjonelle og spesielle metoder. Radioaktive etiketter, røntgen, infrarød og Raman (Raman) spektroskopi, elektronmikroskopiske metoder brukes; kinetiske målinger blir utført, blir innflytelsen av metoder for å oppnå katalysatorer på deres aktivitet undersøkt. Veldig viktig har bestemmelse av overflatearealet til katalysatoren ved Brunauer-Emmett-Teller-metoden (BET-metoden), basert på måling av den fysiske adsorpsjonen av nitrogen ved forskjellige trykk. For dette bestemmes mengden nitrogen som kreves for dannelsen av et monolag på katalysatoroverflaten, og med viten om diameteren på N2-molekylet beregnes det totale arealet. I tillegg til å bestemme det totale overflatearealet, utføres kjemisorpsjon av forskjellige molekyler, noe som gjør det mulig å estimere antall aktive sentre og få informasjon om deres egenskaper.

Forskere har til rådighet forskjellige metoder for å studere overflatestrukturen til katalysatorer på atomnivå. EXAFS-metoden gir unik informasjon. Blant spektroskopiske metoder brukes UV-, røntgen- og Auger-fotoelektronspektroskopi i økende grad. Sekundær ionemassespektrometri og ionespredningsspektroskopi er av stor interesse. NMR-målinger brukes til å undersøke naturen til katalytiske komplekser. Et skanningstunnelmikroskop lar deg se arrangementet av atomer på katalysatoroverflaten.

UTSIKTER

Omfanget av katalytiske prosesser i industrien øker hvert år. Katalysatorer brukes i økende grad for å nøytralisere forurensende stoffer miljø... Katalysatorers rolle i produksjonen av hydrokarboner og oksygenerte syntetiske drivstoff fra gass og kull vokser. Opprettelsen av brenselceller for økonomisk konvertering av drivstoffenergi til elektrisk energi ser ut til å være veldig lovende.

Nye begreper med katalyse vil gjøre det mulig å oppnå polymere materialer og andre produkter med mange verdifulle egenskaper, forbedre metoder for energiproduksjon og øke matproduksjonen, spesielt ved å syntetisere proteiner fra alkaner og ammoniakk ved bruk av mikroorganismer. Det kan være mulig å utvikle genetisk konstruerte metoder for produksjon av enzymer og organometalliske forbindelser som nærmer seg sin katalytiske aktivitet og selektivitet for naturlige biologiske katalysatorer.

Litteratur:

Gates B.K. Kjemi av katalytiske prosesser... M., 1981
Boreskov G.K. Katalyse. Spørsmål om teori og praksis... Novosibirsk, 1987
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V. Ny generell teori katalyse... L., 1991
Tokabe K. Katalysatorer og katalytiske prosesser... M., 1993

AUTOKAT RECYCLE gir bedrifter og enkeltpersoner muligheten til å selge disse delene som har brukt opp ressursen til den maksimale kostnaden på kortest mulig tid. Denne løsningen bidrar til fordel for kundene og bidrar til å gi et mulig bidrag til bevaring av miljøet.

Salg av industrielle katalysatorer

- en utmerket løsning som lar deg redde en anstendig sum penger og sende en del for "riktig" behandling. AUTOKAT RECYCLE er et oppkjøpsselskap med alle ressursene som trengs for å muliggjøre svært nøyaktig analyse av innholdet i verdifulle elementer, slik at kundene kan stole på et raskt kostnadsoverslag.

Vårt firma opererer i mange byer i Russland. I mangel av et punkt med en praktisk beliggenhet, kan du sende produktet ved hjelp av tjenestene til en post eller kurir.

Ressursen som er oppbrukt, eller hvis de av en eller annen grunn har mistet prestasjonen i AUTOKAT RECYCLE-selskapet - en prosedyre som tar nesten ingen tid. Etter å ha mottatt produktet, utfører spesialister de nødvendige analysene og beregner betalingsbeløpet, og hvis de er fornøyde med klienten, inngås en avtale og penger utstedes (ikke-kontanter og andre betalingsmåter er mulig).

AUTOKAT RECYCLE-kunder er garantert attraktive forhold som ikke er uten fordeler og bekvemmelighet. Så personer som har bestemt seg for å overlevere katalysatoren, kan stole på å gi kompetent rådgivning, høye priser, kortest mulig tid for analyser og betalinger. På nettstedet kan besøkende finne ut de omtrentlige kostnadene for et produkt ved hjelp av en spesiell kalkulator, og vite det omtrentlige innholdet av edle metaller i sammensetningen.