Uzroci selekcije i deaktivacije heterogenih katalizatora

Na osnovu različitih aktivnih komponenti, heterogeni katalizatori se mogu podijeliti na metalne i njegove soli, metalne okside i kompozitne metalne oksidne katalizatore; na osnovu oblika mogu se podijeliti na sferne, kratke stupaste i saćaste oblike; na osnovu procesa pripreme, mogu se podijeliti na one koji koriste potporu i one koji ne koriste potporu.

Heterogeni{0}}katalizatori u čvrstom stanju u velikoj mjeri sprječavaju gubitak katalizatora, lakše se odvajaju od otpadnih voda i imaju prednosti kao što su dobra aktivnost, dobra stabilnost i kratak proces obrade;

Međutim, postoji prijenos mase između heterogenih faza katalizatora, a suspendirane krute tvari u otpadnoj vodi i međuproduktima reakcije mogu uzrokovati oblaganje ili blokiranje čestica katalizatora, što dovodi do deaktivacije.

(1) Metalni/podržani katalizatori

U tehnologiji heterogene katalitičke oksidacije, katalizatori plemenitih metala se široko koriste zbog svoje visoke aktivnosti, dugog vijeka trajanja i snažne prilagodljivosti. Katalizatori napravljeni od plemenitih metala kao što su P, Pd i Ru kao aktivne komponente ne samo da imaju kompatibilna mjesta adsorpcije ugljikovodika već i veliki broj mjesta za adsorpciju kisika, koja mogu brzo proći kroz aktivaciju kisika i adsorpciju ugljikovodika kako se površinska reakcija odvija. Da bi se postigla bolja disperzibilnost i smanjila količina korištenog metala, impregnacija se često koristi za podupiranje metala na nosačima s visokim specifičnim površinama, kao što su Al3O2, SiO2, aktivni ugljen, TiO2, CeO2 i ZrO2.

(2) Metalni oksid/podržani katalizatori

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

Na osnovu njihove stabilnosti, katalizatori se mogu klasifikovati na sledeći način: 1. Oksidi koji su najstabilniji u uslovima visoke oksidacije, kao što su titanijum oksid, vanadijum oksid, hrom oksid, magnezijum oksid, cink oksid i aluminijum oksid; 2. Oksidi umjerene stabilnosti, kao što su željezni oksid, kobalt oksid, nikl oksid i olovni oksid; 3. Nestabilni oksidi u visoko-oksidacionom- stanju i plemeniti metali, kao što su platina, paladijum, rutenijum i zlato.

(3) Kompozitni oksid/podržani katalizatori

Na osnovu komplementarnog principa regulacije katalitičke aktivnosti, očekuje se da kompozitni oksidni katalizatori postignu veću katalitičku aktivnost. Sinergijski efekti mogu povećati aktivnost katalizatora i inhibirati otapanje aktivnih komponenti. Na primjer, kombinacija CoO, CuO ili NiO sa oksidima Fe(III), Pt ili Ru je efikasan katalizator oksidacije.

(1) Izbor katalizatora

Prilikom odabira katalizatora, općenito treba koristiti katalizatore sa sljedećim karakteristikama:

1. Brza brzina oksidacije i bolji kontakt faza, čime se ubrzava reakcija;

2. Ne-selektivno, omogućava potpunu oksidaciju;

3. Stabilna fizičko-hemijska svojstva u vrućim kiselim rastvorima;

4. Visoka aktivnost i dug životni vek na visokim temperaturama, a neosetljivi na otrove;

5. Visoka mehanička čvrstoća i otpornost na habanje.

(2) Izbor podrške za katalizator

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

Kada koristite katalizatore, obično se razmatraju sljedeće točke:

1. Hemijski sastav i disperzija;

2. Površinska fizičko-hemijska svojstva-poroznost, adsorpcija, elektrohemijska i mehanička svojstva;

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

4. Specifična snaga i stabilnost;

5. Hemijska stabilnost;

6. Otpornost na habanje, tvrdoću i čvrstoću na pritisak;

7. Učešće u katalitičkim reakcijama.

Pored visoke aktivnosti i dobre selektivnosti, katalizatori moraju imati i dobru mehaničku čvrstoću i stabilnost, pri čemu stabilnost utiče na njihovu sposobnost degradacije aktivnosti.

Nakon perioda upotrebe, katalizatori će doživjeti deaktivaciju, prvenstveno zbog gubitka materijala katalizatora i koksovanja.

Gubitak katalizatora je glavni uzrok deaktivacije. Na ovaj gubitak uglavnom utiče pH, zbog čega se aktivne komponente rastvaraju. Eksperimentalne studije su pokazale da pH otpadne vode ima značajan uticaj na oksidaciju organske materije u tečnoj 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 zarastanja katalizatora. Ovo je prvenstveno uzrokovano taloženjem ugljika, dušika i drugih tvari koje nastaju tijekom reakcije na površini katalizatora. Inženjerske primjene su potvrdile da neki heterogeni katalizatori pokazuju visoke stope degradacije unutar određenog vremenskog okvira, nakon čega slijedi deaktivacija. Energetskom fotoelektrohemijskom hromatografijom (ESCA) analizom površine katalizatora otkriva se taloženje ugljika, koje ometa kontakt između reaktanata u tečnoj fazi i površine katalizatora, što dovodi do deaktivacije.