Катализаторы

Многие гетерогенные катализаторы содержат металлы. Некоторые  металлы, особенно относящиеся к VIII группе периодической системы элементов, обладают каталитической активностью сами по себе; типичный пример - платина. Но большинство металлов проявляют каталитические свойства, находясь в составе соединений; пример – глинозем.

Необычным свойством многих гетерогенных катализаторов является большая площадь их поверхности. Они пронизаны многочисленными порами, суммарная площадь которых иногда достигает 500 м² на 1 г катализатора. Во многих случаях оксиды с большой площадью поверхности служат подложкой, на которой в виде небольших кластеров осаждаются частички металлического катализатора. Это обеспечивает эффективное взаимодействие реагентов в газовой или жидкой фазе с каталитически активным металлом. Особый класс гетерогенных катализаторов составляют цеолиты - кристаллические минералы группы алюмосиликатов (соединений кремния и алюминия). Хотя многие гетерогенные катализаторы обладают большой площадью поверхности, обычно они имеют лишь небольшое число активных центров, на долю которых приходится малая часть суммарной поверхности. Катализаторы могут утрачивать свою активность в присутствии небольших количеств химических соединений, называемых каталитическими ядами. Эти вещества связываются с активными центрами, блокируя их. Определение структуры активных центров является предметом интенсивных исследований.

Гомогенные  катализаторы имеют различную химическую природу - кислоты (Н₂SO₄ или Н₃РО₄), основания (NaOH), органические амины, металлы, чаще всего переходные (Fe или Rh), в форме солей, металлоорганических соединений или карбонилов. К катализаторам относятся также ферменты - белковые молекулы, регулирующие биохимические реакции. Активный центр некоторых ферментов содержит атом металла (Zn, Cu, Fe или Mo). Металлсодержащие ферменты катализируют реакции с участием малых молекул (О₂, CO₂ или N₂). Ферменты обладают очень высокой активностью и селективностью, но работают только при определенных условиях, таких, в которых протекают реакции в живых организмах. В промышленности часто используют иммобилизованные ферменты.

 

2.2 Свойства катализаторов

1.  Специфичность действия: каждая химическая реакция или группа реакций может ускоряться только вполне определенным катализатором. Наиболее ярко специфичность катализаторов проявляется в том, что они могут определять направление реакции – из одних и тех же веществ в зависимости от вида катализатора образуются различные продукты.

2. Селективность – способность катализатора ускорять или уменьшать скорость протекания реакции в зависимости от условий процесса (температуры напр.).

3.  Каталитическая активность – разность скоростей одной и той же реакции, измеренных при одних и тех же условиях, в присутствии и отсутствии катализатора.

4. Стабильность – устанавливает целесообразность использования катализатора в том или ином процессе. 

5.   Энергетика каталитических реакций.

 

2.3 Современные катализаторы

В современных  катализаторах для переработки  тяжелого сырья используют в качестве матрицы оксид алюминия вместо широко применявшегося ранее инертного  оксида кремния. Цеолиты с высоким содержанием оксида алюминия имеют еще более активные центры. В современной технологии нефтепереработки гидрокрекинг применяется для производства бензина, дизельного и реактивного топлива. При этом наиболее применимы катализаторы, содержащие кобальт, ванадий, никель, молибден, основой часто является оксид алюминия. Потребность только в катализаторах гидрогенизационных процессов сейчас составляет свыше 40 тыс.т/год, их доля в общем объеме катализаторов, используемых только в нефтепереработке, превышает 20%. Прогнозируется дальнейшее увеличение спроса на катализаторы гидроочистки.

Основными типами катализаторов, используемых в процессах  гидрооблагораживания за рубежом, являются оксиды никеля, молибдена, кобальта (и  сами эти металлы) на оксиде алюминия или алюмосиликате (цеолите). Темп прироста потребления катализаторов составляет свыше 4%/год. Потребление катализаторов гидроочистки ранее сдерживалось наличием и предложением малосернистых нефтей на мировом рынке, но в связи с уменьшением доли высококачественных нефтей на рынке оно увеличивается на более 7%/год. Катализаторы гидроочистки занимают третье место среди катализаторов нефтепереработки. Первое место занимают катализаторы крекинга (46%) с приростом потребления 3%/год. В органической химии потребление катализаторов алкилирования и полимеризации неуклонно увеличивается (2%/год). Потребление катализаторов риформинга и гидрокрекинга соответственно увеличивается на 1 и 2%/год. В области нефтехимии первое место по объему потребления занимают катализаторы полимеризации (50%), затем - катализаторы окисления. Крупные достижения в области производства полиолефинов, синтетических смол стали возможны благодаря разработке высокоэффективных катализаторов. В 1993г. их производительность достигла 135кг смолы на 1кг катализатора - в 2 раза выше, чем в 1983году. За тот же период цены на такие катализаторы возросли с 23 до 32долл./кг в США и с 21 до 27 долл./кг в Западной Европе. Катализаторы процессов производства линейного полиэтилена низкой плотности на носителях в значительной степени вытеснили старые пероксидные инициаторы. Высокоэффективные катализаторы на носителях вытеснили большую часть катализаторов Циглера в производстве полипропилена. Потребление катализаторов получения линейного полиэтилена низкой плотности в США до 1993г. увеличивалось на 13%/год, а потребление пероксидных инициаторов снижалось на 3%/год. Происходит бурный рост потребления катализаторов производства полиэтилена высокой плотности (60%). Сейчас 61% всех катализаторов потребляется в нефтепереработке, 31%- в химии, прежде всего в органической, где основа большинства крупнотоннажных процессов - катализ. Наблюдается тенденция роста доли химической промышленности в потреблении катализаторов.

В автомобильной  промышленности современные катализаторы – это трёхкомпонентные катализаторы. Трехкомпонентный катализатор представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение.

Химикам известно множество катализаторов - медь, хром, никель, палладий, родий. Но самой стойкой  к воздействию сернистых соединений, которые образуются при сгорании содержащейся в бензине серы, оказалась благородная платина. На долю катализаторов приходится до 60% себестоимости устройства. Именно благодаря им происходят необходимые химические реакции – окисление монооксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (СН), а также сокращение количества окиси азота (NOx). В трехкомпонентном катализаторе платина и палладий вызывают окисление СО и СН, а родий ”борется” с NOx. Кстати, родий – субпродукт при получении платины – наиболее ценный в этой троице.Чтобы увеличить площадь контакта каталитического слоя с выхлопными газами, на поверхность сот наносится подложка толщиной 20-60 микрон с развитым микрорельефом.

Как правило, носителем  в катализаторе служит спецкерамика - монолит со множеством продольных сот ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка. Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами - до величин около 20 тыс. м2. Причем вес благородных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма!!! Керамика сделана достаточно огнеупорной – выдерживает температуру до 800-850 С. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси монолит может не выдержать и оплавиться - и тогда катализатор выйдет из строя. Именно поэтому так проблематично выглядит использование катализаторов с керамическим носителем на карбюраторных двигателях.

Впрочем, все  шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические соты. Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев катализатора до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050 С.

Делают это на Западе, конечно же, не для применения карбюраторов - там они почти забыты. Просто с появлением современных двигателей, работающих на переобедненных смесях, растут требования и к катализаторам - они должны выдерживать более жесткие условия, которые керамике уже не по зубам. Широкое использование катализаторов «взорвало» мировой рынок благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные катализаторы.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 Масштабы каталитических процессов в промышленности увеличиваются с каждым годом. Все более широкое применение находят катализаторы для нейтрализации веществ, загрязняющих окружающую среду. Возрастает роль катализаторов в производстве углеводородов и кислородсодержащих синтетических топлив из газа и угля. Весьма перспективным представляется создание топливных элементов для экономичного преобразования энергии топлива в электрическую энергию.

Новые концепции  катализа позволят получать полимерные материалы и другие продукты, обладающие многими ценными свойствами, усовершенствовать методы получения энергии, увеличить производство пищевых продуктов, в частности путем синтеза белков из алканов и аммиака с помощью микроорганизмов. Возможно, удастся разработать генно-инженерные способы получения ферментов и металлоорганических соединений, приближающихся по своей каталитической активности и селективности к природным биологическим катализаторам. 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Большой справочник по химии. – М.: «Дрофа»,2002.
2. Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень: учеб, для общеобразовательных учреждений. – М.: Дрофа, 2007. – с. 126–135
3. Гузей Л.С., Суровцева Р.П. Химия 10. – М.: Изд. Дом Дрофа, 1998.

4. Крылов О.В. Гетерогенный катализ М.: ИКЦ «Академкнига», 2004,-679 с.

5. Чернышов В.Н., Егоров А.С. Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы. – Ростов-на-Дону: «Феникс», 1996.