КАТАЛИЗА́ТОРЫ
-
Рубрика: Химия
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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.