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這是催化劑應(yīng)用ppt,包括了固體催化劑簡介,固體催化劑的組成與選擇,固體催化劑的制備,催化劑的組成與選擇,催化劑典型的成型方法,固體催化劑的比表面積、孔體積和孔體積分布等內(nèi)容,歡迎點(diǎn)擊下載。
催化劑應(yīng)用ppt是由紅軟PPT免費(fèi)下載網(wǎng)推薦的一款課件PPT類型的PowerPoint.
固體催化劑
姓名:張春光
學(xué)號(hào):101313146
1.1固體催化劑的簡介
定義:
在化學(xué)反應(yīng)中能加快或減慢其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率,而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后(反應(yīng)過程中會(huì)改變)都沒有發(fā)生變化的物質(zhì)叫做催化劑,又叫觸媒。所以固體催化劑在工業(yè)上也稱為觸媒。催化劑對(duì)可逆反應(yīng)同時(shí)具有催化正、逆反應(yīng)的功能,視反應(yīng)條件而定,如芳烴加氫反應(yīng)。
1.2 實(shí) 際 用 途
可見,催化劑在全球各行各業(yè)廣泛使用,未來無論在催化劑的科學(xué)理論研究、清潔能源開發(fā)與利用,環(huán)境保護(hù)與提高經(jīng)濟(jì)效益以及人類的生存環(huán)境的治理與保護(hù)都有極大的發(fā)展前景。
簡言之,人類的生存發(fā)展,吃穿住行都離不開催化劑及其發(fā)展。
①催化劑在化工生產(chǎn)中具有重要而廣泛的應(yīng)用,生產(chǎn)化肥、農(nóng)藥、多種化工原料等都要使用催化劑;
②在科學(xué)家實(shí)驗(yàn)、生命活動(dòng)中,催化劑也都大顯身手。
催化劑的用途:
硫酸生產(chǎn)中要用五氧化二釩作催化劑;由氮?dú)飧鷼錃夂铣砂睔猓靡澡F為主的多組分催化劑,提高反應(yīng)速率;在煉油廠,選用不同的催化劑,就可以得到不同品質(zhì)的汽油、煤油;汽車尾氣中含有害的一氧化碳和一氧化氮,利用鉑等金屬作催化劑可以迅速將二者轉(zhuǎn)化為無害的二氧化碳和氮?dú)猓幻甘侵参铩?dòng)物和微生物產(chǎn)生的具有催化能力的蛋白質(zhì),生物體的化學(xué)反應(yīng)幾乎都在酶的催化作用下進(jìn)行,釀造業(yè)、制藥業(yè)等都要用催化劑催化。
2.1 催化劑的組成與選擇
固體催化劑組成包括:
1、催化活性物質(zhì)
2、載體
3、助催化劑
4、抑制劑
固體催化劑特點(diǎn):
1、高活性
2、高選擇性
3、高強(qiáng)度
4、長壽命
2.1.1 活 性 組 分
催化劑的核心部分是活性組分,即真正起催化作用的組分。
化工中的固體催化劑可按其化合形態(tài)、電子性質(zhì)及其在催化 作用中的電子因素分為三類:
①半導(dǎo)體催化劑,主要是金屬氧化物和硫化物;
②金屬催化劑,又稱導(dǎo)體催化劑,多為簡單金屬和過渡金屬;
③絕緣催化劑,主要是周期表ⅢA、ⅣA、ⅤA族的金屬或非金屬氧化物及鹵化物。
很多催化劑可以化學(xué)吸附氧和氫,所以通常是氧化-還原和加氫-脫氫反應(yīng)的有效催化劑。如:鉑(氧化)、鎳(加氫)、半導(dǎo)體(催化同一類反應(yīng)),常需較高溫度,對(duì)毒物不敏感;過渡金屬氧化物,是烯烴聚合的優(yōu)良催化劑。
有關(guān)催化劑化學(xué)特性的原理還尚不足以用來預(yù)先選擇催化劑,現(xiàn)在依然是依靠經(jīng)驗(yàn)資料(考慮是否經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠)的技術(shù)。
2.2 載 體
載體常兼作穩(wěn)定劑和分散劑,是影響催化劑性能的重要因素之一。載體的種類、組成、表面積、孔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱性、耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度、制備方法、附載活性組分的方法、載體與活性組分之間的相互作用等,對(duì)催化劑的性能都有影響。
由于催化反應(yīng)只是在催化劑表面進(jìn)行,顆粒內(nèi)部金屬并不能起到催化作用,所以一些來源有限、價(jià)格昂貴的活性組分(鉑、銠等)用整粒的金屬作催化劑是不適宜的。為充分發(fā)揮作用,可以用催化劑載體。
催化劑載體的作用:①提供有效表面和適合的孔結(jié)構(gòu);②是催化劑獲得一定的催化強(qiáng)度;③提高催化劑的熱穩(wěn)定性;④提供活性中心;⑤與活性組分作用形成新的化合物;⑥節(jié)省活性組分用量。
2.2.2催化劑的載體分類
1、小面積載體。又分無孔和有孔低表面載體兩種。
2、高比表面載體。
如下表:
2.3 助 催 化 劑
本身催化活性很小,但添加極少量于催化劑中,卻能顯著改變催化劑效能,這是助催化劑與載體的區(qū)別。
助催化劑類型:①結(jié)構(gòu)型(一般不影響活性組分的本性);②調(diào)變型(可以調(diào)節(jié)和改變活性組分的本性)
助催化劑一般在含量較少時(shí)可使催化劑活性提高,而用量過大時(shí),活性反而下將,催化劑的活性存在一高峰。有些促進(jìn)劑(如Al2O3、CaO、K2O用于合成氨反應(yīng)中;氯化物作為加氫和異構(gòu)化催化劑促進(jìn)劑 ;硫化物用于促進(jìn)加氫脫硫催化劑)可以增加活性中心的數(shù)目,從而使催化劑表面具有更大的活性。
2.4 抑制劑
抑制劑是促進(jìn)劑的對(duì)立物。制備催化劑時(shí)加入很少量就可以減小活性,提高穩(wěn)定性。
抑制劑用來降低催化劑對(duì)不希望發(fā)生的副反應(yīng)的催化活性。例如:載在氧化鋁上的銀是極佳的氧化催化劑,在乙烯生產(chǎn)環(huán)氧乙烷的過程中廣泛使用,但在同樣條件下,乙烯可能完全氧化成CO2 和H2O,因而對(duì)環(huán)氧乙烷的選擇性不好。發(fā)現(xiàn)將鹵素化合物加入催化劑中可抑制完全氧化,能得到滿意的 選擇性。
2.5 催化劑組分之間的關(guān)系
* 活性組分
* 載體
* 助催化劑
* 抑制劑
3.1 催化劑的制備
催化劑的活性不僅取決于化學(xué)組成,而且與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。同一種催化劑由于制造的差異活性可能相差很遠(yuǎn),固體催化劑的活性和選擇性均受制備方法和制備條件的影響,因此催化劑的制造技術(shù)具有特殊的重要意義。
固體催化劑的主要制備方法:
沉淀法、浸漬法、共混合法、滾涂法、溶蝕法、溶液蒸干法、熱熔融法、浸溶法(瀝濾法)、離子交換法、絡(luò)合催化劑的固載化法等,現(xiàn)發(fā)展的新方法有化學(xué)鍵合法、纖維化法等。
沉淀法
* 沉淀法是制備固體催化劑最常用的方法之一
* 用沉淀劑(如堿性物質(zhì))將可溶性催化劑組分(金屬鹽類的水溶液)轉(zhuǎn)化為難溶化合物。再經(jīng)分離、洗滌、干燥、焙燒、成型等工序制得成品催化劑。
* 影響沉淀法的因素有溶液的濃度、沉淀的溫度、溶液的PH值和加料的順序等。
* 沉淀法優(yōu)點(diǎn):
有利于雜質(zhì)的清除
可獲得活性組分分散度較高的產(chǎn)品
有利于組分間緊密結(jié)合,形成適宜的活性構(gòu)造
活性組分與載體的結(jié)合較緊密,且前者不易流失
沉 淀 法 的 生 產(chǎn) 流 程
沉淀法——廣泛用于制備高含量的非貴金屬、金屬氧化物、金屬鹽催化劑或催化劑載體
浸漬法
制作步驟大體包括:
1、抽空載體
2、載體與被浸漬溶液接觸3、除去過剩的溶液
4、干燥
5、煅燒及活化
機(jī)械混合法
混合法是工業(yè)上制備多組分固體催化劑是常采用的方法。
它是將幾種組分用機(jī)械混合的方法制成多組分催化劑。
混合的目的是促進(jìn)物料間的均勻分布,提高分散度。因此,在制備時(shí)應(yīng)盡可能使各組分均勻混合。
為了提高機(jī)械強(qiáng)度,在混合過程中一般要加入一定量的粘結(jié)劑。
熔融法
熔融法是在高溫條件下進(jìn)行催化劑 組分的熔合,使之成為均勻的混合體、合金固溶體或氧化物固溶體。
熔融法制備的催化劑活性好、機(jī)械強(qiáng)度高且生產(chǎn)能力大,局限性是通用性不大。
其制備程序一般為:
①固體的粉碎
②高溫熔融或燒結(jié)
③冷卻、破碎成一定的粒度
④活化
* 生產(chǎn)實(shí)例: 目前合成氨工業(yè)上使用的熔鐵催化劑如何制備?
原料:磁鐵礦、硝酸鉀、氧化鋁
條件:600℃高溫
催化劑粒度:幾微米的粒度
混 合 法
鋅錳系脫硫催化劑——合成氨廠的原料氣凈化,脫除其中的有機(jī)硫化物
離 子 交 換 法
離子交換法是利用載體表面上存在著可進(jìn)行交換的離子,將活性組分通過離子交換(通常是陽離子交換),交換到載體上,然后再經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮筇幚怼?span style="display:none">Jus紅軟基地
如洗滌、干燥、焙燒、還原后得到金屬負(fù)載型催化劑。
該法制得的催化劑:
分散度好
活性高
沸石分子篩、離子交換樹脂的改性也常采用這種方法。
3.1.1 固體催化劑高溫煅燒、成型、活化
制備固體催化劑,一般在干燥之后都需經(jīng)高溫煅燒,其目的是:
①除掉易揮發(fā)組分,保證一定化學(xué)組成,從而使催化劑具有穩(wěn)定的活性。
②使催化劑保持一定晶型、晶粒大小、孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積。
③提高催化劑的機(jī)械強(qiáng)度。
催化劑的成型:
其顆粒的形狀和大小一般根據(jù)制備催化劑的原料的性質(zhì)和工業(yè)生產(chǎn)所用反應(yīng)器的需要來決定的。若其成型不得法,或壓碎強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度差,則它對(duì)催化劑的壽命、機(jī)械強(qiáng)度、活性有很大影響,可能破損、磨損,阻塞管道,影響生產(chǎn)。
催化劑在使用之前還需要活化,其方法有:
①適度加熱祛除易除去的外來物質(zhì);②小心燃燒;
③用氫氣、硫化氫、一氧化碳或氯化烴作為活化劑。
催化劑典型的成型方法
破碎(將大的顆粒破碎成無定型的小顆粒)
壓片(由打片機(jī)壓成片狀)
擠條(由擠條機(jī)擠成條狀)
滾涂(由滾涂機(jī)滾涂成所需形狀)
凝聚成球(靠表面張力凝聚成球)
噴霧成球(先噴成霧狀,靠表面張力凝聚成球)
研粉(由研磨機(jī)研成粉狀)
織網(wǎng)(編織成網(wǎng))
其他特殊(化學(xué)腐蝕等)
催 化 劑 失 活
沾污:催化劑表面漸漸沉積鐵銹、粉塵、水垢等非活性物質(zhì)而導(dǎo)致活性下降。
中毒:指原料中極微量的雜質(zhì)導(dǎo)致催化劑活性的迅速下降的現(xiàn)象。催化劑的毒物通常分為化學(xué)型毒物和選擇型毒物兩大類。
積炭:是催化劑在使用過程中,逐漸在表面沉積上一層炭質(zhì)化合物,減少了可利用的表面積,引起催化活性的衰退。
燒結(jié):催化劑長期處于高溫下操作,金屬會(huì)融結(jié)而導(dǎo)致晶粒長大,減少了催化金屬的比表面。
揮發(fā)與剝落:催化劑活性組分的揮發(fā)或剝落,造成活性組分的流失,導(dǎo)致其活性下降。
催化劑失活的原因是復(fù)雜的。可以歸納為以下一些種類:
1.永久性失活
催化劑活性組分受某些外來成分的作用(中毒)而失去活性,往往是永久性失活。這些外來成分多是與催化劑的活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或離子交換而導(dǎo)致活性成分發(fā)生變化。如酸性催化劑被堿中和,貴金屬催化劑被硫化物或氮化物中毒等。催化劑中毒的失活往往表現(xiàn)為活性迅速下降;钚越M分在使用過程中被磨損或升華造成丟失也導(dǎo)致永久性失活,這類失活往往難以簡單地恢復(fù)。
2、活性組分被覆蓋而逐漸失活,是非永久性失活。
如反應(yīng)過程產(chǎn)生的積碳,覆蓋了活性組分或堵塞了催化劑的孔道,使反應(yīng)物無法與活性組分接觸。這些覆蓋物通過一定的方法可以除去,如被積碳而失活可以通過燒炭再生而復(fù)活。
3、錯(cuò)誤的操作導(dǎo)致催化劑失活,如過高的反應(yīng)溫度,壓力劇烈的波動(dòng)導(dǎo)致催化劑床層的混亂或粉碎等,這類失活是無法恢復(fù)的。
固體催化劑再生與填裝
①蒸汽處理
②空氣處理
⑤通入氫氣或不 含毒物的還原性氣體
⑥用酸和堿溶液處理
包裝:一般是桶裝,有金屬桶、纖維板桶
運(yùn)輸:輕拿輕放,以免破碎
貯藏:防潮、防污染、防氧化
裝填:保證氣流分布均勻、阻力降小——先過篩;檢查篦條、支網(wǎng)等,頂部用固定柵條或一層重的惰性物壓住——防被吹而移動(dòng)
方法:布袋法、繩斗法、多節(jié)桿法
4.1 固體催化劑的比表面積、孔體積和孔體積分布
催化劑的性能主要包括活性、選擇性和壽命。
對(duì)催化劑的性能影響最大的物理性質(zhì)主要是比表面積、孔體積和孔體積分布。除表面積之外,空隙體積、顆粒中固體物質(zhì)的密度、空隙大小及空隙(孔容)分布也會(huì)影響催化劑性能。
氣固相催化反應(yīng)發(fā)生在氣固相接觸的界面處,因此,單位體積固體催化劑的表面積越大反應(yīng)進(jìn)行得越快,所以,通常選擇多孔性物質(zhì),以增加氣固接觸面積。
4.1.1 比表面積
定義:
單位質(zhì)量催化劑具有的表面積稱為比表面積。記為Sg
單位為 ㎡.g¹固體催化劑的活性,部分取決于比表面積的大小。固體催化劑通常都是多孔性的,催化劑微孔的幾何性質(zhì)能夠影響總反應(yīng)速率,固體的表面積顯著影響吸附氣體的數(shù)量和催化劑的活性。
4.1.2 孔體積、固體密度、顆粒密度和孔隙率
孔體積又稱孔容積,簡稱孔容,是指每克催化劑內(nèi)部微孔所占有的體積,用Vg 表示,其單位是㎝³g¹。
孔容積的測(cè)定方法:
簡單法:將已知質(zhì)量的試樣在液體中煮沸,待趕走微孔中全部氣體后,擦干外表面并稱重,所增加的質(zhì)量除以液體的密度,即得孔體積。
精確法:氦-汞法,先測(cè)定試樣粒子所取代的氦體積,該體積僅是固體物質(zhì)占有的體積,用Vt 表示;然后將氦除去,在測(cè)定試樣粒子所取代的汞體積。因常壓下汞不能進(jìn)入微孔,故該體積既包括固體物質(zhì)占據(jù)的體積,也包括微孔占據(jù)的體積,兩體積之差及試樣中的孔體積。
固體密度又稱真密度,是指催化劑固體物質(zhì)單位體積(不包括孔占有的體積)的質(zhì)量,用ρs 表示,單位為
g.㎝³。
如果試樣粒子質(zhì)量為Mp,取代氦的體積為Vt ,則
顆粒密度是指單位體積催化劑(包括孔體積)的質(zhì)量,用ρP 表示,單位是g.㎝³。如果試樣粒子質(zhì)量為Mp,取代汞的體積為Vs ,則
孔隙率是催化劑顆?兹莘e占總體積的分率,用ᵋp 表示。即
孔隙率也可由顆粒密度計(jì)算:
式中:Mp為顆粒質(zhì)量,g;Vg為孔容體積,㎝³g¹;ρs為催化劑固體真密度,g.㎝³。
ᵋp值為0.5數(shù)量級(jí),說明顆粒中大約一半是孔隙體積,一半是固體物質(zhì)。
4.1.3 孔體積分布
催化反應(yīng)的效率不僅取決于空隙空間的體積,而且還與孔隙體積在催化劑中的分布即孔容的分布有關(guān)。
孔結(jié)構(gòu)的簡單模型是把空隙空間模擬為半徑為r 的圓柱形孔。測(cè)定孔容分布的方法有兩種:壓汞法和氮吸附法。
壓汞法
壓汞法(Mercury intrusion porosimetry 簡稱MIP),又稱 汞孔隙率法。是測(cè)定部分中孔和大孔孔徑分布的方法。基 本原理是,汞對(duì)一般固體不潤濕,欲使汞進(jìn)入孔需施加外 壓,外壓越大,汞能進(jìn)入的孔半徑越小。測(cè)量不同外壓下 進(jìn)入孔中汞的量即可知相應(yīng)孔大小的孔體積。目前所用壓汞儀使用壓力最大約200MPa
可測(cè)孔范圍:0.0064 - >950um(孔直徑)。
壓汞儀常在材料科學(xué)與工程中使用,用來檢測(cè)混凝土、
砂漿等的孔隙率,用以表征混凝土內(nèi)部的氣孔等指標(biāo)。
在油藏的物理模擬試驗(yàn)中,用來繪制毛細(xì)管壓力曲線,可以用來描述多項(xiàng)儲(chǔ)層的特征,特別是多孔介質(zhì)的孔隙吼道大小分布。
氮吸附法
比表面積是單位質(zhì)量物質(zhì)的總表面積(㎡/g),是超細(xì)粉體材料特別是納米材料最重要的物性之一。測(cè)定比表面和孔徑分布的方法很多,其中氮吸附法是最常用、最可靠的方法,已經(jīng)被列入國際標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)。
任何粉體表面都有吸附氣體分子的能力,在液氮溫度下,在含氮的氣氛中,粉體表面會(huì)對(duì)氮?dú)猱a(chǎn)生物理吸附,當(dāng)已知粉體表面吸附了完整的一層氮分子時(shí)的吸附量Vm,粉體的比表面積(Sg)可由下式求出:
( W: 樣品的重量 )
參考資料:
化學(xué)反應(yīng)工程,第二版,郭鍇、唐小恒、周緒美編;馮元鼎主審;化學(xué)工業(yè)出版社。
催化劑材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用ppt:這是催化劑材料在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用ppt,包括了概述,固體酸催化劑,納米材料催化劑,手性催化劑,生物催化劑,離子液體,無機(jī)有機(jī)復(fù)合材料等內(nèi)容,歡迎點(diǎn)擊下載。
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