КАТАЛИЗА́ТОРЫ

КАТАЛИЗА́ТОРЫ, функ­цио­наль­ные ма­те­риа­лы и ве­ще­ст­ва, ус­ко­ряю­щие или ини­ции­рую­щие хи­мич. ре­ак­ции за счёт про­ме­жу­точ­ных хи­мич. взаи­мо­дей­ст­вий с уча­ст­ни­ка­ми ре­ак­ции и вос­ста­нов­ле­ния сво­его хи­мич. со­ста­ва по­сле ка­ж­до­го цик­ла та­ких про­ме­жу­точ­ных взаи­мо­дей­ст­вий (см. в ст. Ка­та­лиз). По спо­со­бу ор­га­ни­за­ции и фа­зо­во­му со­ста­ву ре­ак­ци­он­ной сис­те­мы при­ня­то раз­ли­чать ге­те­ро­ген­ные и го­мо­ген­ные К., а так­же К. био­ло­гич. про­ис­хо­ж­де­ния – фер­мен­ты. В ге­те­ро­ген­ном ка­та­ли­зе К. ино­гда на­зы­ва­ют кон­так­та­ми.

В об­щем слу­чае но­си­те­лем ка­та­ли­тич. ак­тив­но­сти К. (см. в стать­ях Ге­те­ро­ген­ный ка­та­лиз, Го­мо­ген­ный ка­та­лиз) обыч­но яв­ля­ет­ся ве­ще­ст­во, не­по­сред­ст­вен­но всту­паю­щее в хи­мич. взаи­мо­дей­ст­вие по край­ней ме­ре с од­ним из ис­ход­ных реа­ген­тов с об­ра­зо­ва­ни­ем не­стой­ких (в ус­ло­ви­ях про­ве­де­ния ка­та­ли­тич. ре­ак­ции) хи­мич. со­еди­не­ний, – ак­тив­ный ком­по­нент К. (для твёр­дых ге­те­ро­ген­ных К. час­то ка­та­ли­тич. ак­тив­ная фа­за). Ме­ха­низ­мы дей­ст­вия К. дос­та­точ­но раз­но­об­раз­ны и за­ви­сят от ти­па осу­ще­ст­в­ляе­мой ка­та­ли­тич. ре­ак­ции и при­ро­ды ве­ще­ст­ва ак­тив­но­го ком­по­нен­та К.; хи­мич. при­ро­да ак­тив­но­го ком­по­нен­та К. так­же мо­жет быть са­мой раз­но­об­раз­ной. Мас­со­вая до­ля ак­тив­но­го ком­по­нен­та в К. мо­жет варь­и­ро­вать от 100% до весь­ма ма­лых ве­ли­чин (де­ся­тые до­ли про­цен­та).

Осн. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми К. яв­ля­ют­ся ка­та­ли­тич. ак­тив­ность, се­лек­тив­ность по от­но­ше­нию к це­ле­вым про­дук­там ка­та­ли­тич. пре­вра­ще­ний, спе­ци­фич­ность по от­но­ше­нию к реа­ген­там ка­та­ли­тич. ре­ак­ций, ста­биль­ность, ус­той­чи­вость к дей­ст­вию ка­та­ли­тич. ядов; для пром. К. ещё и про­из­во­ди­тель­ность (ко­ли­че­ст­во це­ле­во­го про­дук­та, по­лу­чен­но­го за еди­ни­цу вре­ме­ни на еди­ни­цу объ­ё­ма или мас­сы К.).

Обыч­но К. под­раз­де­ля­ют по ти­пам ка­та­ли­тич. про­цес­сов: глу­бо­ко­го и пар­ци­аль­но­го (се­лек­тив­но­го) окис­ле­ния, гид­ри­ро­ва­ния, по­ли­ме­ри­за­ции, про­цес­сов неф­те­пе­ре­ра­бот­ки, ор­га­нич. син­те­за и др. Ти­пич­ны­ми К. окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. ре­ак­ций (окис­ле­ния, гид­ри­ро­ва­ния и пр.) яв­ля­ют­ся пе­ре­ход­ные эле­мен­ты в ме­тал­лич. ви­де, а так­же их со­ли, ком­плекс­ные со­еди­не­ния, ок­си­ды и суль­фи­ды. Ти­пич­ны­ми К. ки­слот­но-оснóв­ных ре­ак­ций (гид­ра­та­ции, де­гид­ра­та­ции, ал­ки­ли­ро­ва­ния, по­ли­ме­ри­за­ции, кре­кин­га и пр.) яв­ля­ют­ся жид­кие и твёр­дые ми­нер. и ор­га­нич. ки­сло­ты и ос­но­ва­ния, кис­лые со­ли, алю­мо­си­ли­ка­ты, це­о­ли­ты и др.

В пром-сти пред­по­чи­та­ют ис­поль­зо­вать твёр­дые ге­те­ро­ген­ные К. вслед­ст­вие лёг­ко­сти их от­де­ле­ния от ре­ак­ци­он­ной сре­ды и воз­мож­но­сти ра­бо­ты при по­вы­шен­ных темп-рах. Ак­тив­ный ком­по­нент (ка­та­ли­ти­че­ски ак­тив­ная фа­за) мн. пром. ге­те­ро­ген­ных К. яв­ля­ет­ся вы­со­ко­дис­перс­ным и не­ред­ко на­не­сён­ным на проч­ный по­рис­тый но­си­тель (обыч­но вы­со­ко­по­рис­тый уг­ле­род, ок­сид не­пе­ре­ход­но­го эле­мен­та, напр. крем­ния, алю­ми­ния, ти­та­на, цир­ко­ния, и др.). Для уве­ли­че­ния ка­та­ли­тич. ак­тив­но­сти, се­лек­тив­но­сти, хи­мич. ус­той­чи­во­сти и тер­мо­ста­биль­но­сти в К. ино­гда вво­дят не­боль­шое ко­ли­че­ство про­мо­то­ра (или ак­ти­ва­то­ра) – ве­ще­ст­ва, ко­то­рое мо­жет не об­ла­дать са­мо­сто­ят. ка­та­ли­тич. ак­тив­но­стью.

Твёр­дые пром. К. долж­ны об­ла­дать вы­со­ки­ми ка­та­ли­тич. ак­тив­но­стью, спе­ци­фич­но­стью по от­но­ше­нию к за­дан­ной ре­ак­ции, се­лек­тив­но­стью по от­но­ше­нию к це­ле­во­му про­дук­ту, ме­ха­нич. проч­но­стью, тер­мо­стой­ко­стью, оп­ре­де­лён­ной те­п­ло­про­вод­но­стью. Пром. К. долж­ны быть так­же стой­ки­ми по от­но­ше­нию к дез­ак­ти­ва­ции – сни­же­нию или пол­но­му по­дав­ле­нию их ка­та­ли­тич. ак­тив­но­сти. Де­зак­ти­ва­ция К. мо­жет про­ис­хо­дить за счёт спе­ка­ния или ме­ха­нич. раз­ру­ше­ния (напр., ис­ти­ра­ния) ак­тив­но­го ком­по­нен­та и/или ве­ще­ст­ва но­си­те­ля, бло­ки­ров­ки ак­тив­ных цен­тров по­боч­ны­ми про­дук­та­ми про­цес­са – плот­ны­ми уг­ле­род­ны­ми от­ло­же­ния­ми (кок­сом), смо­ли­сты­ми ве­ще­ст­ва­ми и пр., от­рав­ле­ния ка­та­ли­тич. яда­ми. Дей­ст­вие ка­та­ли­тич. ядов обыч­но обу­слов­ле­но бло­ки­ров­кой наи­бо­лее ак­тив­ных уча­ст­ков ак­тив­но­го ком­по­нен­та К. за счёт проч­ной хе­мо­сорб­ции и по­это­му про­яв­ля­ет­ся да­же при на­ли­чии ма­лых ко­ли­честв ядов. Ти­пич­ны­ми ка­та­ли­тич. яда­ми яв­ля­ют­ся со­еди­не­ния се­ры, азо­та, фос­фо­ра, мышь­я­ка, свин­ца, рту­ти, циа­ни­стые со­еди­не­ния, ки­сло­род, мо­но­ок­сид уг­ле­ро­да, про­из­вод­ные аце­ти­ле­на, ино­гда во­да и др. В пром-сти для пре­дот­вра­ще­ния от­рав­ле­ния К. про­из­во­дят глу­бо­кую пред­ва­рит. очи­ст­ку реа­ги­рую­щих ве­ществ от ка­та­ли­тич. ядов. В пром. ка­та­ли­тич. про­цес­сах для вос­ста­нов­ле­ния ка­та­ли­тич. ак­тив­но­сти К. по­сле их де­зак­ти­ва­ции ре­ге­не­ри­ру­ют. Ре­ге­не­ра­цию К. осу­ще­ст­в­ля­ют, напр., вы­жи­га­ни­ем кок­са и смо­ли­стых ве­ществ, про­мы­ва­ни­ем во­дой или спе­ци­аль­но по­доб­ран­ны­ми рас­тво­ри­те­ля­ми.

Ка­та­ли­тич. ак­тив­ность твёр­до­го К. за­ви­сит от ве­ли­чи­ны и со­стоя­ния дос­туп­ной для реа­ген­тов по­верх­но­сти К., фор­мы, раз­ме­ра и про­фи­ля пор К. (т. е. его тек­сту­ры), что оп­ре­де­ля­ет­ся спо­со­бом при­го­тов­ле­ния К. и его пред­ва­рит. об­ра­бот­кой. В ус­ло­ви­ях от­сут­ст­вия диф­фу­зи­он­ных ог­ра­ни­че­ний ак­тив­ность твёр­до­го К. пря­мо про­пор­цио­наль­на та­кой по­верх­но­сти. По­это­му боль­шин­ст­во пром. ге­те­ро­ген­ных К. име­ет раз­ви­тую удель­ную по­верх­ность, вплоть до не­сколь­ких со­тен м² на 1 г ка­та­ли­за­то­ра. Наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ны­ми ме­то­да­ми по­лу­че­ния ак­тив­ных твёр­дых К. яв­ля­ют­ся оса­ж­де­ние гид­ро­кси­дов и кар­бо­на­тов ме­тал­лов из рас­тво­ров со­лей или ком­плекс­ных со­еди­не­ний с по­сле­дую­щим тер­мич. раз­ло­же­ни­ем осад­ка до ок­си­дов, раз­ло­же­ние иных со­еди­не­ний на воз­ду­хе до ок­си­дов, сплав­ле­ние не­сколь­ких ве­ществ с по­сле­дую­щим вы­ще­ла­чи­ва­ни­ем од­но­го из них (т. н. сплав­ные, или «ске­лет­ные», К.), а так­же на­не­се­ние ак­тив­но­го ком­по­нен­та К. на но­си­тель ме­то­дом про­пит­ки или из га­зо­вой фа­зы с по­сле­дую­щей акти­ва­ци­ей К. Ти­пич­ны­ми про­це­ду­ра­ми ак­ти­ва­ции К. яв­ля­ют­ся их вос­ста­нов­ле­ние во­до­ро­дом, суль­фи­ди­ро­ва­ние с по­мо­щью разл. се­ро­со­дер­жа­щих со­еди­не­ний и т. п.; для не­ко­то­рых ти­пов К. ис­поль­зу­ет­ся тер­мо­ак­ти­ва­ция, осу­ще­ст­в­ляе­мая с по­мо­щью про­гре­ва К. до темп-ры фор­ми­ро­ва­ния ак­тив­ной фа­зы. Ме­ха­ни­че­ски проч­ные К. из­го­тав­ли­ва­ют в ви­де прес­со­ван­ных таб­ле­ток, а так­же по­лу­чен­ных спец. ме­то­да­ми гра­нул, ша­ри­ков, сплош­ных и по­лых ци­лин­д­ров (ко­лец Ра­ши­га), разл. ро­да экс­тру­да­тов и пр. В ря­де слу­ча­ев для сни­же­ния аэ­ро- или гид­ро­ди­на­мич. со­про­тив­ле­ния слоя К. им при­да­ют и бо­лее спе­ци­фич. фор­мы. Напр., ка­та­ли­тич. ней­тра­ли­за­то­ры ав­то­мо­биль­ных вы­хло­пов обыч­но из­го­тав­ли­ва­ют в ви­де ке­ра­мич. или ме­тал­лич. «со­то­вых» бло­ков со мно­же­ст­вом па­рал­лель­ных ка­на­лов вдоль по­то­ка очи­щае­мо­го га­за. В пром-сти при­ме­ня­ют так­же сус­пен­зии К. в жид­кой фа­зе (сус­пен­зи­он­ный про­цесс) и пы­ле­вид­ные К., ко­то­рые в хо­де ре­ак­ции ока­зы­ва­ют­ся взве­шен­ны­ми в парáх ком­по­нен­тов ре­ак­ции (т. н. флю­ид-про­цесс).

Стои­мость К. за­ви­сит от его хи­мич. со­ста­ва, спо­со­ба при­го­тов­ле­ния и варьи­ру­ет от 0,5 до не­сколь­ких ты­сяч дол­ла­ров США за 1 кг К. Тем не ме­нее в стои­мо­сти го­то­вой про­дук­ции, по­лу­чен­ной с по­мо­щью пром. К., стои­мость К. обыч­но со­став­ля­ет не бо­лее 0,1–1%.

Пром. ге­те­ро­ген­ные К. яв­ля­ют­ся ма­ло- или сред­не­тон­наж­ной про­дук­ци­ей. Об­щий объ­ём их го­до­во­го по­треб­ле­ния в Рос­сии ок. 100 тыс. т.