Uzroci izbora i deaktivacije heterogenih katalizatora

Na temelju različitih aktivnih komponenti, heterogeni katalizatori mogu se podijeliti na metal i njegove soli, metalne okside i kompozitne metalne oksidne katalizatore; prema obliku se dijele na kuglaste, kratke stupaste i saćaste oblike; na temelju procesa pripreme mogu se podijeliti na one koji koriste potporu i one koji ne koriste potporu.

Heterogeni katalizatori-krutog stanja u velikoj mjeri sprječavaju gubitak katalizatora, lakše se odvajaju od otpadne vode i imaju prednosti kao što su dobra aktivnost, dobra stabilnost i kratak proces obrade;

Međutim, postoji prijenos mase između heterogenih faza katalizatora, a suspendirane krutine u otpadnoj vodi i međuprodukti reakcije mogu uzrokovati prevlačenje ili blokiranje čestica katalizatora, što dovodi do deaktivacije.

(1) Katalizatori na metalnoj podlozi

U tehnologiji heterogene katalitičke oksidacije, katalizatori plemenitih metala naširoko se koriste zbog svoje visoke aktivnosti, dugog životnog vijeka i snažne prilagodljivosti. Katalizatori napravljeni s plemenitim metalima kao što su P, Pd i Ru kao aktivnim komponentama ne samo da imaju kompatibilna adsorpcijska mjesta ugljikovodika, već i veliki broj adsorpcijskih mjesta kisika, koja mogu brzo proći kroz aktivaciju kisika i adsorpciju ugljikovodika kako se površinska reakcija odvija. Kako bi se postigla bolja disperzibilnost i smanjila količina upotrijebljenog metala, često se koristi impregnacija za podupiranje metala na nosačima s visokom specifičnom površinom, kao što su Al3O2, SiO2, aktivni ugljen, TiO2, CeO2 i ZrO2.

(2) Metalni oksid/katalizatori na nosaču

Odabir katalizatora u katalitičkim oksidacijskim procesima zahtijeva razmatranje brojnih čimbenika, kao što su svojstva otopine, katalitički kapacitet katalizatora i njegova toplinska stabilnost u vodi. Među njima su metalni oksidi visoko cijenjeni zbog svoje visoke stabilnosti i dobre aktivnosti.

Na temelju njihove stabilnosti, katalizatori se mogu klasificirati na sljedeći način: 1. Oksidi koji su najstabilniji u uvjetima visoke oksidacije, kao što su titanov oksid, vanadijev oksid, kromov oksid, magnezijev oksid, cinkov oksid i aluminijev oksid; 2. Oksidi s umjerenom stabilnošću, kao što su željezni oksid, kobaltov oksid, niklov oksid i olovni oksid; 3. Nestabilni oksidi visokog -oksidacijskog-stanja i plemeniti metali, kao što su platina, paladij, rutenij i zlato.

(3) Kompozitni oksid/katalizatori na nosaču

Na temelju komplementarnog principa regulacije katalitičke aktivnosti, očekuje se da će kompozitni oksidni katalizatori postići veću katalitičku aktivnost. Sinergistički učinci mogu pojačati aktivnost katalizatora i inhibirati otapanje aktivnih komponenti. Na primjer, kombinacija CoO, CuO ili NiO s oksidima Fe(III), Pt ili Ru učinkovit je oksidacijski katalizator.

(1) Odabir katalizatora

Pri odabiru katalizatora općenito se trebaju koristiti katalizatori sa sljedećim karakteristikama:

1. Brza stopa oksidacije i bolji fazni kontakt, čime se ubrzava reakcija;

2. Ne-selektivan, omogućuje potpunu oksidaciju;

3. Stabilna fizikalno-kemijska svojstva u vrućim kiselim otopinama;

4. Visoka aktivnost i dug životni vijek na visokim temperaturama, te neosjetljivost na otrove;

5. Visoka mehanička čvrstoća i otpornost na habanje.

(2) Izbor potpore katalizatora

Na temelju sastava čestica nosača katalizatora, može se grubo podijeliti u tri tipa: čestični nosači, krupno{0}}nosači i supstrati.

Pri korištenju katalizatora obično se uzimaju u obzir sljedeće točke:

1. Kemijski sastav i disperzija;

2. Površinska fizikalno-kemijska svojstva-poroznost, adsorpcija, elektrokemijska i mehanička svojstva;

3. Debljina i količina aktivnog materijala koji se može opteretiti;

4. Specifična čvrstoća i stabilnost;

5. Kemijska stabilnost;

6. Otpornost na habanje, tvrdoća i tlačna čvrstoća;

7. Sudjelovanje u katalitičkim reakcijama.

Uz visoku aktivnost i dobru selektivnost, katalizatori također moraju posjedovati dobru mehaničku čvrstoću i stabilnost, pri čemu stabilnost utječe na njihovu sposobnost degradacije aktivnosti.

Nakon određenog razdoblja korištenja, katalizatori će doživjeti deaktivaciju, prvenstveno zbog gubitka materijala katalizatora i koksiranja.

Gubitak katalizatora glavni je uzrok deaktivacije. Na ovaj gubitak uglavnom utječe pH, uzrokujući otapanje aktivnih komponenti. Eksperimentalna istraživanja su pokazala da pH otpadne vode ima značajan utjecaj na oksidaciju organske tvari u tekućoj fazi.

Na primjer, heterogeni ozonski katalizatori pokazuju niske stope reakcije i visoke stope deaktivacije u kiselim uvjetima. Gubitak katalizatora je minimalan pri pH 7. Kada je pH veći od 7, ali manji od 9, ne dolazi do gubitka katalizatora. Međutim, kada je pH veći od 10, brzina reakcije ostaje niska. Stoga podešavanje pH vrijednosti može smanjiti ili spriječiti gubitak katalizatora.

Koksiranje katalizatora je još jedan glavni uzrok deaktivacije, također poznat kao deaktivacija katalizatora. To je prvenstveno uzrokovano taloženjem ugljika, dušika i drugih tvari koje nastaju tijekom reakcije na površini katalizatora. Inženjerske aplikacije potvrdile su da neki heterogeni katalizatori pokazuju visoke stope razgradnje unutar određenog vremenskog okvira, nakon čega slijedi deaktivacija. Energetska fotoelektrokemijska kromatografija (ESCA) analiza površine katalizatora otkriva taloženje ugljika, što otežava kontakt između reaktanata u tekućoj fazi i površine katalizatora, što dovodi do deaktivacije.