Selekce a deaktivace příčin heterogenních katalyzátorů

Na základě různých aktivních složek lze heterogenní katalyzátory rozdělit na kovy a jejich soli, oxidy kovů a kompozitní katalyzátory na bázi oxidů kovů; podle tvaru je lze rozdělit na kulovité, krátce sloupovité a voštinové; podle procesu jejich přípravy je lze rozdělit na ty, které používají podporu, a ty, které nepoužívají podporu.

Heterogenní katalyzátory v pevném skupenství do značné míry zabraňují ztrátě katalyzátoru, snáze se oddělují od odpadní vody a mají výhody, jako je dobrá aktivita, dobrá stabilita a krátký proces čištění;

Mezi heterogenními fázemi katalyzátoru však dochází k přenosu hmoty a suspendované pevné látky v odpadní vodě a reakčních meziproduktech mohou způsobit potažení nebo zablokování částic katalyzátoru, což vede k deaktivaci.

(1) Kovové/podporované katalyzátory

V technologii heterogenní katalytické oxidace jsou katalyzátory z ušlechtilých kovů široce používány kvůli jejich vysoké aktivitě, dlouhé životnosti a silné přizpůsobivosti. Katalyzátory vyrobené s ušlechtilými kovy, jako je P, Pd a Ru jako aktivní složky, mají nejen kompatibilní místa pro adsorpci uhlovodíků, ale také velký počet míst pro adsorpci kyslíku, která mohou rychle podléhat aktivaci kyslíku a adsorpci uhlovodíků v průběhu povrchové reakce. Pro dosažení lepší disperzibility a snížení množství použitého kovu se často používá impregnace k podpoře kovů na nosičích s vysokým specifickým povrchem, jako je Al302, Si02, aktivní uhlí, Ti02, Ce02 a Zr02.

(2) Oxid kovů/podporované katalyzátory

Výběr katalyzátorů v procesech katalytické oxidace vyžaduje zvážení mnoha faktorů, jako jsou vlastnosti roztoku, katalytická kapacita katalyzátoru a jeho tepelná stabilita ve vodě. Mezi nimi jsou oxidy kovů vysoce ceněny pro svou vysokou stabilitu a dobrou aktivitu.

Na základě jejich stability lze katalyzátory klasifikovat následovně: 1. Oxidy, které jsou nejstabilnější za podmínek vysoké oxidace, jako je oxid titaničitý, oxid vanadu, oxid chrómu, oxid hořečnatý, oxid zinečnatý a oxid hlinitý; 2. Oxidy se střední stabilitou, jako je oxid železa, oxid kobaltu, oxid niklu a oxid olova; 3. Nestabilní oxidy a ušlechtilé kovy ve vysokém-oxidačním-stavu, jako je platina, palladium, ruthenium a zlato.

(3) Kompozitní oxid/podporované katalyzátory

Na základě komplementárního principu regulace katalytické aktivity se očekává, že kompozitní oxidové katalyzátory dosáhnou vyšší katalytické aktivity. Synergické účinky mohou zvýšit aktivitu katalyzátoru a inhibovat rozpouštění aktivních složek. Například kombinace CoO, CuO nebo NiO s oxidy Fe(III), Pt nebo Ru je účinný oxidační katalyzátor.

(1) Výběr katalyzátoru

Při výběru katalyzátoru by se obecně měly používat katalyzátory s následujícími vlastnostmi:

1. Rychlá oxidační rychlost a lepší fázový kontakt, čímž se urychlí reakce;

2. Ne-selektivní, umožňující úplnou oxidaci;

3. Stabilní fyzikálně-chemické vlastnosti v horkých kyselých roztocích;

4. Vysoká aktivita a dlouhá životnost při vysokých teplotách a necitlivé na jedy;

5. Vysoká mechanická pevnost a odolnost proti opotřebení.

(2) Výběr podpory katalyzátoru

Na základě složení částic nosiče katalyzátoru je lze zhruba rozdělit do tří typů: částicové nosiče, hrubozrnné{0}}nosiče a substráty.

Při použití katalyzátorů se obvykle berou v úvahu následující body:

1. Chemické složení a disperze;

2. Povrchové fyzikálně-chemické vlastnosti-poréznost, adsorpce, elektrochemické a mechanické vlastnosti;

3. Tloušťka a množství aktivního materiálu, který lze naložit;

4. Specifická pevnost a stabilita;

5. Chemická stabilita;

6. Odolnost proti oděru, tvrdost a pevnost v tlaku;

7. Účast na katalytických reakcích.

Kromě vysoké aktivity a dobré selektivity musí mít katalyzátory také dobrou mechanickou pevnost a stabilitu, přičemž stabilita ovlivňuje jejich schopnost degradovat aktivitu.

Po určité době používání dojde u katalyzátorů k deaktivaci, především kvůli ztrátě materiálu katalyzátoru a koksování.

Ztráta katalyzátoru je hlavní příčinou deaktivace. Tato ztráta je ovlivněna především pH, které způsobuje rozpouštění aktivních složek. Experimentální studie prokázaly, že pH odpadních vod má významný vliv na oxidaci organických látek v kapalné fázi.

Například heterogenní ozonové katalyzátory vykazují nízké reakční rychlosti a vysoké rychlosti deaktivace za kyselých podmínek. Ztráta katalyzátoru je minimální při pH 7. Když je pH vyšší než 7, ale nižší než 9, nedochází ke ztrátě katalyzátoru. Pokud je však pH vyšší než 10, reakční rychlost zůstává nízká. Úprava hodnoty pH tedy může snížit nebo zabránit ztrátě katalyzátoru.

Koksování katalyzátoru je další hlavní příčinou deaktivace, známé také jako deaktivace zanášení katalyzátoru. To je primárně způsobeno usazováním uhlíku, dusíku a dalších látek vznikajících během reakce na povrchu katalyzátoru. Technické aplikace ověřily, že některé heterogenní katalyzátory vykazují vysokou rychlost degradace v určitém časovém rámci, po které následuje deaktivace. Analýza povrchu katalyzátoru energetickou fotoelektrochemickou chromatografií (ESCA) odhaluje usazování uhlíku, které brání kontaktu mezi reaktanty v kapalné fázi a povrchem katalyzátoru, což vede k deaktivaci.