bài giảng động học xúc tác đầy đủ

1 ĐỘNG HỌC XÚC TÁC 8/30/2012 Động học Xúc tác Giảng viên: DIỆP KHANH 8/30/2012 Động học Xúc tác 2 8/30/2012 Động học Xúc tác 3 8/30/2012 Động học Xúc tác 4 VAI TRÒ CỦA XÚC TÁC TRONG NỀN KINH TẾ 27 % của GNP và 85 % của ngành công nghiệp hóa chất có sử dụng chất xúc tác. Giá trị thương mại của chất xúc tác tạo ra hằng năm ước tính 14 tỉ USD Trong năm 2005, giá trị hàng hóa được tạo ra với sự “giúp sức” của chất xúc tác ước tính 900 tỉ USD. Chất xúc tác chiếm 2% tổng vốn đầu tư trong quá trình hóa học. 8/30/2012 Động học Xúc tác 5 Tạo được nhiều sản phẩm và kinh tế hơn Tăng vận tốc của phản ứng. Đơn giản hóa các bước phản ứng – giảm chi phí đầu tư. Phản ứng tiến hành ở điệu kiện trung bình ( T, P thấp) giảm năng lượng tiêu thụ. Giảm lượng chất thải Nâng cao độ chọn lọc ra sản phẩm mong muốn - làm giảm lượng nguyên liệu lượng chất thải không mong muốn. Thay thế các nguyên liệu nguy hiểm và độc hại. Sản xuất ra các sản phẩm mà nếu không có xúc tác thì không thể sản xuất được. Kiểm soát quá trình tốt hơn (an toàn và linh hoạt hơn). Thúc đẩy sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ. ƯU ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH CÓ SỬ DỤNG XÚC TÁC 8/30/2012 Động học Xúc tác 6 CN Polymer 21% CN lọc dầu, than và khí 22% CN sản xuất các hóa chất 27% CN ứng dụng xử lý môi trường 30% Tỉ lệ các ngành công nghiệp có sử dụng Chất xúc tác 8/30/2012 Động học Xúc tác 7 Ví dụ: – Công nghiệp Hydrogen (coal, NH 3 , methanol, FT, hydrogen hóa /HDT, fuel cell). – Lọc dầu (Petroleum refining): FCC, HDW,HDT,HCr, REF. – Hóa dầu (Petrochemicals): monomers, bulk chemicals. – Hóa chất tinh khiết (Fine Chem). – Thực phẩm (Food): Magarine, butter,… – Dược phẩm; Nông nghiệp; Dệt nhuộm. – Xúc tác môi trường (Environmental Catalysis): autoexhaust, deNOx, 8 Khái niệm về chất xúc tác và quá trình xúc tác. Cơ chế hoạt động và Các thuộc tính của chất xúc tác. Thành phần của chất xúc tác. Phân loại chất xúc tác Ứng dụng của chất xúc tác Định tính và định lượng họat tính xúc tác. Quá trình phản ứng sử dụng xúc tác. Sản xuất chất xúc tác. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của xúc tác. Sự giảm họat tính của xúc tác. Tái sinh xúc tác. Các yêu cầu của chất xúc tác công nghiệp. Một vài quá trình trong tiến trình phát triển của xúc tác công nghiệp NHẬP MÔN 8/30/2012 Động học Xúc tác 8/30/2012 Động học Xúc tác 9 Chất xúc tác (Catalyst) ? Sự xúc tác (Catalysis) ? 10 Về bản chất Chất xúc tác làm thay đổi cơ chế phản ứng dẫn đến làm giảm năng lượng họat hóa của phản ứng.  Về mặt lý thuyết, Chất xúc tác không thay đổi sau phản ứng.  Chất xúc tác không làm thay đổi đặc tính nhiệt động của phản ứng.  Đối với một phản ứng thuận nghịch, Chất xúc tác làm tăng tốc độ cả chiều thuận và chiều nghịch, dẫn đến phản ứng đạt cân bằng nhanh hơn. [...]... CO2 8/30/2012 Động học Xúc tác 29 Ví dụ: Chất xúc tác đồng thể: xúc tác axit trong phản ứng ester hóa CH3COOH(l) + CH3OH(l)  CH3COOCH3(l) + H2O(l) O R C OH O Khơng có chất xúc tác H+ giai đoạn nà diễn ra chậm H R + H O O OH + -H R C OH Có chất xúc tác H+ giai đoạn này diễn ra nhanh hơn 8/30/2012 R C OH O R C O R H R Động học Xúc tác 30 Ví dụ: Chất xúc tác sinh học 8/30/2012 Động học Xúc tác 31 Phản... Guangzhou) 8/30/2012 Động học Xúc tác 23 Thành phần của chất xúc tác Tùy thuộc vào loại xúc tác mà thành phần của một chất xúc tác (hệ xúc tác) có thể là: Ngun tử, phân tử, đơn chất, hợp chất Thơng thường, một hệ xúc tác có thể có các thành phần sau: Pha họat động: tâm hoạt động chính, chất cải tiến (phụ gia) Pha nền (chất mang): để phân tán tâm họat động, bổ trợ tính năng xúc tác và giảm giá thành... (Transtion metal compouds) Chất xúc tác Dị thể (Heterogeneous catalysts) Chất xúc tác khối (Bulk catalysts) Chất xúc tác sinh học (Biocatalysts) Chất xúc tác đồng thể được dị thể hóa (Heterogenized homogeneous catalysts) Chất xúc tác chuyển pha (Phase Transfer catalysts) Chất xúc tác giá mang (Supported catalysts) Động học Xúc tác 26 Cụ thể: Dựa vào trạng thái vật lý, chất xúc tác có ba loại: Khí, gas Lỏng,... thì TON >100 mới thỏa mãn u cầu 8/30/2012 Động học Xúc tác 17 Độ chọn lọc (The Selectivity) Chọn lọc Hóa học Chọn lọc lập thể 8/30/2012 X Số mol sản phẩm mong muốn Số mol chất phản ứng đã chuyển hó a Động học Xúc tác 18 8/30/2012 Động học Xúc tác 19 Độ bền (The Stability) Số năm sử dụng Lượng sản phẩm tạo ra / Lượng xúc tác sử dụng 8/30/2012 Động học Xúc tác 20 Nhân tố mơi trường (E-factor) • Ngày... vào chức năng, chất xúc tác có các loại: Axít – Bazơ (Acid-base catalysts) Xúc tác Enzymatic (Enzymatic) Xúc tác quang (Photocatalysis) Xúc tác điện tử (Electrocatalysis), 8/30/2012 Động học Xúc tác 28 Ví dụ: Xúc tác đồng thể CFC: CClmF4-m và C2ClmF6-m (m≠0)  Phản ứng phân hủy tầng ozone O3 + O  2O2 Khi có Cl: Cl + O3  ClO3 ClO3  ClO + O2 ClO + O  Cl + O2 Ví dụ: Chất xúc tác đồng thể : transition... mantoza dưới tác dụng của men Amylaza (C6H10O5)n -> C12H22O11 • Bước 2, thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng của men mantaza (Enzyme Mantasase) C12H22O11 -> C6H12O6 • Bước 3, phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2 8/30/2012 Động học Xúc tác 32 Ví dụ: Chất xúc tác điện tử Phản ứng oxi hóa methanol trên xúc tác Pt 8/30/2012 Động học Xúc tác 33 Ví... Ví dụ: Chất xúc tác Quang semiconductor A + D  A - + D+  h  E bg 8/30/2012 Động học Xúc tác 34 Ví dụ: Phản ứng phân hủy nước H2 -cat / semiconductor / O2 -cat 2H 2 O  2H 2  + O2   H2 -xúc tác (H2-cat) thường được sử dụng là Pt, O2 xúc tác (O2-cat) thường dùng là RuO hoặc khơng sử dụng Chất cảm biến ánh sáng bán dẫn là SrTiO3 8/30/2012 Động học Xúc tác 35 Ví dụ: Xúc tác chuyển pha... chất xúc tác có hai loại: Vơ cơ, Inorganic (gases, metals, metal oxides, inorganic acids, bases, ) Hữu cơ, Organic (organic acids, enzymes etc.) 8/30/2012 Động học Xúc tác 27 Dựa vào cách thức hoạt động, chất xúc tác có hai loại: Đồng thể, Homogeneous – cả chất xúc tác và tất cả các tác chất, sản phẩm là cùng pha (khí hay rắn) Dị thể, Heterogeneous – hệ phản ứng gồm nhiều pha (chất xúc tác + tác chất,... thiện với mơi trường của chất xúc tác thì người ta còn ràng buộc thêm một đặc điểm đối với chất xúc tác, đó là: E-factor E factor Waste (kg)  Desired Product (kg) • E-factor càng nhỏ thì Chất xúc tác, q trình chuyển hóa được sử dụng càng “XANH” 8/30/2012 Động học Xúc tác 21 Atomic Utilization (AU) Classical Route to Nicotinic Acid (Lonza AG,Switzerland) 8/30/2012 Động học Xúc tác 22 Modern Catalytic Route... barrier: hàng rào năng lượng Reactants: các chất phản ứng Catalyzed reaction: Phản ứng xúc tác Products: các sản phẩm Uncatalyzed reaction: phản ứng khơng xúc tác Course of reaction: tiến trình phản ứng Ea : năng lượng hoạt hóa 8/30/2012 Động học Xúc tác 13 8/30/2012 Động học Xúc tác 14 Các thuộc tính của chất xúc tác Hoạt độ (the Acivity) Độ chuyển hóa (Conversion): X Số mol của chất phản ứng đã chuyển . 1 ĐỘNG HỌC XÚC TÁC 8/30/2012 Động học Xúc tác Giảng viên: DIỆP KHANH 8/30/2012 Động học Xúc tác 2 8/30/2012 Động học Xúc tác 3 8/30/2012 Động học Xúc tác 4 VAI TRÒ CỦA XÚC TÁC TRONG NỀN. tác công nghiệp NHẬP MÔN 8/30/2012 Động học Xúc tác 8/30/2012 Động học Xúc tác 9 Chất xúc tác (Catalyst) ? Sự xúc tác (Catalysis) ? 10 Về bản chất Chất xúc tác làm thay đổi cơ chế phản ứng dẫn. hoạt động 12 8/30/2012 Động học Xúc tác • A, B: Chất phản ứng. • Bonding: liên kết. • Separation: sự tách. • Catalyst: chất xúc tác. • Reaction: phản ứng. • P: sản phẩm. 8/30/2012 Động học Xúc tác