kỹ thuật xúc tác

KỸ THUẬT XÚC TÁC CATALYST TECHNOLOGY Giảng viên: TS Võ Thành Cơng CHẤT XÚC TÁC Nó gì? phản ứng hóa học Các thành phần nào? Nó có tính chất gì? Nó chế tạo nào? Kiểm tra tính chất hóa học vật lý phương pháp gì? Kiểm tra hoạt tính nào? Sử dụng lý thuyết cho phản ứng này? Chi phí? Pilot? Sản xuất cơng nghiệp? Vấn đề Lý thuyết-tính tốn thực tiễn Điều chế Xúc tác Đánh giá xúc tác Chi phí? Pilot? Phản Ứng Nhà máy? Phương pháp nghiên cứu tĩnh Phương pháp nghiên cứu dòng Thu nhận số liệu Hiệu xúc tác, động học, chế phản ứng Mô tả vắn tắt nội dung học phần Học phần bao gồm:  Lý thuyết chất xúc tác trình xúc tác  Xúc tác công nghiệp, giai đoạn sản xuất xúc tác công nghiệp  Các phương pháp đại đánh giá xúc tác Mục tiêu của học phần Sau hồn tất học phần sinh viên có khả năng: - Nắm vững kiến thức kỹ thuật xúc tác - Làm sở tảng học tiếp môn chuyên ngành ĐỀ CƯƠNG + THỜI GIAN Bài tập / thường kỳ Kiểm tra kỳ T1 T2 Vai trò xúc tác cơng nghệ hóa học T3 Xúc tác đồng thể T4 T5 Cơ sở trình xúc tác dị thể T6 T7 Xúc tác môi trường Thi cuối kỳ T8 Điều chế xúc tác T9 T10 T11 T12 Các phương pháp nghiên cứu đánh giá xúc tác Sản xuất xúc tác công nghiệp Tài liệu Sách tham khảo  [1] Charles N Satterfields, Heterogeneous Catalysis in Industrial Practice, McGraw-Hill, Inc., 1991  [2] Mukhlenov I.P., Dobkina E.I., Catalyst technology, Mir publishers, M 1976  [3].H.Scott Forgler, Elements of chemical reaction engineering, new Delhi, 2004  [4] Mai hữu Khiêm, Bài giảng Kỹ thuật xúc tác, NXB ĐHQG TP HCM, 2003 Phương pháp đánh giá môn học Thường kỳ / tiểu luận: kiểm tra Thi học phần: trắc nghiệm Thi kết thúc học phần: trắc nghiệm MỞ ĐẦU Oxi Hóa Động thực vật phân hủy Hàng triệu năm Vài tuần/tháng Các phản ứng sinh hóa Một số q trình khơng cần xúc tác Vài giây/giờ Typical Physical Properties of Common Carrier (Supports) Support/Catalyst BET area (m2/g) Pore Vol Activated Carbon 500-1500 0.6-0.8 0.6-2 Zeolites (Molecular Sieves) 500-1000 0.5-0.8 0.4-1.8 Silica Gels 200-600 0.40 3-20 Activated Clays 150-225 0.4-0.52 20 Activated Al2O3 100-300 0.4-0.5 6-40 4.2 1.14 2,200 Kieselguhr ("Celite 296") Pore Diam (nm) 94 Solid Catalysts  Some common solid support / carrier materials  Other supports  Alumina     Silica     Inexpensive Surface area: ~ 700 m2/g Acidic    Active site Inexpensive Surface area: 100 ~ 800 m2/g Acidic Zeolite  Active carbon (S.A up to 1000 m2/g)  Titania (S.A 10 ~ 50 m2/g)  Zirconia (S.A 10 ~ 100 m2/g)  Magnesia (S.A 10 m2/g)  Lanthana (S.A 10 m2/g)  mixture of alumina and silica, often exchanged metal ion present shape selective acidic porous solid pore 95 Solid Catalysts 96 96 Chất xúc tác dị thể 3.2 Sự hấp phụ dung dịch xúc tác lên chất mang xốp Khi thấm ướt dung dịch xúc tác lên chất mang có vấn đề cần quan tâm: (1) hàm lượng kim loại hoạt động hấp phụ lên chất mang (2) phân bố nồng độ chất xúc tác bên mao quản Hình ảnh minh họa mặt cắt mao quản phân bố xúc tác sau thời gian 10 – 100 phút, dung dịch hấp phụ CuCl2 0,5M nước, chất mang γ-Al2O3 97 Chất xúc tác dị thể 3.3 Sự tương tác ion kim loại hoạt động chất mang (SMSI: Strong Metal Support Interaction ) - Boehm (1983): Những hạt kim loại Pt, Rh mang TiO2, CeO2, Al2O3… sau khử 500oC khả hấp phụ khí CO, H2… - Giải thích: có tương tác kim loại hoạt động Pt chất mang TiO2 (Pt/TiO2) hiệu ứng điện tử: dịch chuyển điện tích từ chất mang TiO2 sang tinh thể Pt làm cho cấu hình Pt trở thành tương tự Au 98 - Giữa xúc tác chất mang khơng có dịch chuyển điện tử cả, mà mang xúc tác lên chất mang tạo thành đơn lớp có tương tác chất mang vớiXÚC kim loại,TÁC lúc tính xúc tác khác hẳn với tính CHẤT DỊ chất THỂ chất MoO3 γ-Al2O3 (Stiler qua nghiên cứu hệ xúc tác MoO3/γ-Al2O3) - Đối với dạng xúc tác V2O5/TiO2 (dạng anatas): dạng khác nhóm (VOx)n/ TiO2: monovanadat biệt lập VOx dạng oxo hay dạng hydroxo, polyvanadat (VOx)n V2O5 dạng vơ định hình tinh thể 99 Vấn đề 36 Chất phụ trợ 100 Chất xúc tác dị thể IV Chất phụ trợ xúc tác (promoter) Định nghĩa: Chất phụ trợ xúc tác chất thêm vào xúc tác lượng làm cho hoạt tính xúc tác tính chất xúc tác cải thiện Ví dụ vết Os làm tăng hoạt tính Ir Sự có mặt Na2SO4, K2SO4 làm tăng hoạt tính CuSO4 101 Chất xúc tác dị thể - Chất phụ trợ xúc tác thân chất trơ q trình cho, xúc tác cho q trình giống xúc tác Cơ chế hoạt động chưa chứng minh rõ ràng, ta chia thành ba tác dụng: + Chất trợ xúc tác hình học, hay chất trợ cấu trúc, có vai trò làm chậm tốc độ tăng kích thước vi tinh thể Ví dụ oxit nhôm phản ứng tổng hợp amoniac làm chậm trình thiêu kết xúc tác sắt Vai trò Fe phản ứng reforming làm cho Pt/Al2O3 chậm thiêu kết + Chất trợ xúc tác điện tử: chất vào mạng lưới cấu trúc xúc tác làm thay đổi độ linh động bề mặt xúc tác Ví dụ K2O xúc tác tổng hợp NH3 + Chất trợ xúc tác chống ngộ độc chất bảo vệ pha hoạt động khỏi bị ngộ độc 102 CHẤT XÚC TÁC DỊ THỂ 103 Chất xúc tác dị thể - Lượng chất phụ trợ nhỏ, lớn, tất lượng chất phụ trợ có lượng tối ưu - Ví dụ phân hủy hydroperoxit xúc tác Fe2O3 tăng đến cực đại thêm 2% Al2O3 Tốc độ hydro hóa phenol thành xyclohexanol xúc tác niken với lượng chất trợ xúc tác Na2CO3 20% đạt cực đại - Một ví dụ khác: phản ứng hydro hóa aldehit thơm thành rượu thơm, xúc tác Pt, thêm 0,00001 g/mol FeCl3 hoạt tính xúc tác tăng lên cực đại sau tăng tiếp lượng FeCl3 hoạt tính lại giảm 104 CHẤT XÚC TÁC DỊ THỂ 105 Chất xúc tác dị thể - Các lý thuyết giải thích tác dụng chất phụ trợ phức tạp a Một số nhà bác học Dankov, Andrusenco… cho chất phụ trợ có tác dụng bề mặt, khơng sâu vào bên khối xúc tác, lượng nhỏ chất phụ trợ cải thiện hoạt tính xúc tác b Dankov cho chất trợ xúc tác tạo pha rắn có độ hoạt động cao 106 Chất xúc tác dị thể c Tác dụng chất trợ xúc tác làm cho tốc độ phân hủy HCTG dễ dàng d Chất trợ xúc tác làm giảm tốc độ lớn lên tinh thể xúc tác -Ví dụ thêm lượng nhỏ SiO2 từ – 10,5% vào tinh thể Al2O3 có tác dụng làm ngăn cản kết dính Al2O3 nhiệt độ cao, 107 Chất xúc tác dị thể e Cobozev: Chất trợ xúc tác làm tăng số trung tâm hoạt động Ví dụ phản ứng tổng hợp NH3 với xúc tác sắt, số trung tâm hoạt động 1/2000 so với số nguyên tử Fe, cho thêm chất trợ xúc tác Al2O3, K2O số trung tâm hoạt động 1/200, nghĩa tăng 10 lần… f Một xúc tác thêm vào nhiều chất trợ xúc tác có nhiệm vụ khác Ví dụ hệ xúc tác Pt-Re/Al2O3, Re chất trợ xúc tác chống ngộ độc, Al2O3 trợ xúc tác hình học 108 ... Học phần bao gồm:  Lý thuyết chất xúc tác q trình xúc tác  Xúc tác cơng nghiệp, giai đoạn sản xuất xúc tác công nghiệp  Các phương pháp đại đánh giá xúc tác Mục tiêu của học phần Sau hoàn... thức kỹ thuật xúc tác - Làm sở tảng học tiếp môn chuyên ngành ĐỀ CƯƠNG + THỜI GIAN Bài tập / thường kỳ Kiểm tra kỳ T1 T2 Vai trò xúc tác cơng nghệ hóa học T3 Xúc tác đồng thể T4 T5 Cơ sở trình xúc. .. thể T4 T5 Cơ sở trình xúc tác dị thể T6 T7 Xúc tác môi trường Thi cuối kỳ T8 Điều chế xúc tác T9 T10 T11 T12 Các phương pháp nghiên cứu đánh giá xúc tác Sản xuất xúc tác công nghiệp Tài liệu