კატალიზატორების სახეები, მათი დანიშნულება და წარმოების მეთოდები. კატალიზი

კომპანია AUTOKAT RECYCLE საშუალებას აძლევს კომპანიებს და ფიზიკურ პირებს უმოკლეს დროში გაყიდონ ეს ნაწილები, რომლებმაც ამოწურეს მათი მომსახურების ვადა მაქსიმალური დანახარჯით. ეს გადაწყვეტა ხელს უწყობს მომხმარებელთა სარგებლობას და ხელს უწყობს გარემოს დაცვაში შესაძლო წვლილის შეტანას.

სამრეწველო კატალიზატორების გაყიდვები

- შესანიშნავი გადაწყვეტა, რომელიც საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ ღირსეული თანხა და გაგზავნოთ ნაწილი "სწორი" გადამუშავებისთვის. AUTOKAT RECYCLE არის კომპანია, რომელიც სპეციალიზირებულია ამ პროდუქტების შესყიდვაში, რომელსაც აქვს ყველა საჭირო რესურსი ღირებული ელემენტების შინაარსის უაღრესად ზუსტი ანალიზის გასაადვილებლად, რის წყალობითაც მომხმარებელს შეუძლია დაეყრდნოს ღირებულების სწრაფ შეფასებას.

ჩვენი კომპანია ახორციელებს ოპერაციებს რუსეთის მრავალ ქალაქში. თუ არ არის მოსახერხებელი ადგილის წერტილი, შეგიძლიათ გაგზავნოთ პროდუქტი ფოსტის ან კურიერის სერვისების გამოყენებით.

რომლის რესურსი ამოიწურა ან თუ რაიმე მიზეზით დაკარგეს ფუნქციონირება, დაუკავშირდით AUTOKAT RECYCLE - პროცედურას, რომელსაც პრაქტიკულად დრო არ სჭირდება. პროდუქტის მიღების შემდეგ სპეციალისტები ახორციელებენ აუცილებელ ანალიზებს და გამოთვლიან გადახდის თანხას და თუ კლიენტი კმაყოფილია მათით, მაშინ იდება ხელშეკრულება და გაიცემა ფული (შესაძლებელია უნაღდო და სხვა გადახდის მეთოდები).

AUTOKAT RECYCLE კლიენტებს გარანტირებული აქვთ მიმზიდველი პირობები, უპირატესობებისა და კომფორტის გარეშე. ამრიგად, პირებს, რომლებიც გადაწყვეტენ კატალიზატორის ჩაბარებას, შეუძლიათ დაეყრდნონ კომპეტენტურ რჩევებს, მაღალ ფასებს, ტესტებისა და გადახდების უმოკლეს ვადას. საიტზე ვიზიტორებს შეუძლიათ გაარკვიონ პროდუქტის სავარაუდო ღირებულება სპეციალური კალკულატორის გამოყენებით, იცოდნენ მის შემადგენლობაში ძვირფასი ლითონების სავარაუდო შემცველობა.

მათი შემადგენლობის მიხედვით კატალიზატორები იყოფა 1) მოდიფიცირებულად; 2) შერეული და 3) მატარებლებზე.

1) მოდიფიცირებული კატალიზატორები. მოდიფიკატორი არის სხვა ნივთიერების მცირე (10-12 წონით %) რაოდენობის კატალიზატორის დამატება, რომელიც არ არის კატალიზურად აქტიური მოცემული რეაქციისთვის, მაგრამ აუმჯობესებს კატალიზატორის გარკვეულ თვისებებს (სითბომედეგობა, ძალა, შხამგამძლეობა. ).თუ მოდიფიკატორი ზრდის აქტივობას, ის არის პრომოუტერი. მათი მოქმედების ბუნებიდან გამომდინარე პრომოუტერები იყოფა ა) ელექტრონული,იწვევს კატალიზატორის კრისტალური გისოსების დეფორმაციას ან ელექტრონების სამუშაო ფუნქციის შეცვლას სასურველი მიმართულებით. მაგალითად, Cl-ის დამატება მეთანოლის დაჟანგვის ვერცხლის კატალიზატორში: CH 3 OH ® CH 2 O; ბ) სტაბილიზაციასკატალიზატორის დისპერსიული სტრუქტურის აგლომერაციის თავიდან აცილება. მაგალითად, პრომოტორები Al 2 O 3 და SiO 2 ასტაბილურებენ რკინის კატალიზატორის პირველად კრისტალებს ამიაკის სინთეზში: N 2 + 3H 2 ® 2NH 3. ექსპლუატაციის პირველ დღეს, კრისტალები აგლომერდებათ და აფართოებენ 6-დან 20 ნმ-მდე. კრისტალური ინტერფეისზე თავისუფალი ენერგიის მიწოდება მცირდება და აქტივობა მცირდება. შემოღებული პრომოტორები, აღდგენის გარეშე, დნება სინთეზის ტემპერატურაზე და კრისტალებს ირგვლივ ახვევენ თხელ გარსს, რაც ხელს უშლის მათ შედუღებას. თუმცა, ორივე დანამატს აქვს მჟავე ზედაპირი, რომელზეც NH 3 მოლეკულა მყარად ადსორბირდება, რაც ხელს უშლის აზოტის მოლეკულების შეწოვას და კატალიზატორის აქტივობა მცირდება; V) სტრუქტურის ფორმირება,ანეიტრალებს მჟავე ცენტრებს Al 2 O 3 და SiO 2. მაგალითად, K 2 O, CaO და MgO, მაგრამ მათი რაოდენობა უნდა იყოს არაუმეტეს 4-5 wt.%, ვინაიდან მათ აქვთ მინერალიზაციის ეფექტი, ე.ი. ხელს უწყობს Fe კრისტალების აგლომერაციას.

2) შერეული კატალიზატორები. შერეული კატალიზატორები არის ისეთები, რომლებიც შეიცავს რამდენიმე კომპონენტს, რომლებიც კატალიზურად აქტიურია მოცემული რეაქციისთვის, მიღებული შედარებითი რაოდენობით.ასეთი კატალიზატორების აქტივობა არ არის დანამატი, მაგრამ იღებს უკიდურეს მნიშვნელობას შემდეგი მიზეზების გამო: მექანიკური ნარევების წარმოქმნა უფრო დიდი ფაზის საზღვრით, ე.ი. თავისუფალი ენერგიის დიდი მარაგით (მაგალითად, HCºHC + H 2 O ® CH 3 -CHO რეაქციისთვის, კატალიზატორი არის CdO + CaO/P 2 O 5 = 3-4 ნარევი; მოლური თანაფარდობით £3, შეინიშნება მაღალი სელექციურობა, მაგრამ კატალიზატორის გრანულების სიძლიერე დაბალია; ³4-ზე – გრანულების მაღალი სიძლიერე, მაგრამ დაბალი სელექციურობა); სპინელის ტიპის მყარი ხსნარების წარმოქმნა(მაგალითად, V 2 O 5 + MoO 3 ჟანგვის კატალიზატორში Mo +6 კატიონი შეყვანილია V 2 O 5 კრისტალური მედის ვაკანტურ პოზიციებში. გისოსების დეფორმაცია იწვევს სისტემის თავისუფალი ენერგიის ზრდას; ახალი, უფრო აქტიური კატალიზატორების ფორმირება რეაქციის პირობებში(მაგალითად, მეთანოლის CO + 2H 2 ® CH 3 OH სინთეზისთვის, გამოიყენება თუთიის ქრომის კატალიზატორი:

ZnO + CrO 3 + H 2 O ® ZnCrO 4 × H 2 O

2ZnCrO 4 ×H 2 O + 3H 2 ® + 5H 2 O

კატალიზატორის შემცირების შემდეგ მიღებული აქტიური ფაზა, რომელიც არსებითად ახალი კატალიზატორია, ნაჩვენებია კვადრატულ ფრჩხილებში.

3) მხარდაჭერილი კატალიზატორები.გადამზიდავი განსაზღვრავს გრანულების ფორმასა და ზომას, ოპტიმალურ ფოროვან სტრუქტურას, სიმტკიცეს, სითბოს წინააღმდეგობას და ხარჯების შემცირებას. ზოგჯერ ზრდის აქტივობას (იხ. ლიგანდის ველის თეორია). მედიის კლასიფიკაცია: სინთეტიკური– სილიკა გელი, გააქტიურებული ნახშირბადი, ალუმინის ოქსიდი (გ, ა), კერამიკა; ბუნებრივი– პემზა, დიატომიტი; ფორების მოცულობით- ფოროვანი (10% -ზე მეტი), არაფოროვანი (10% ან ნაკლები); მარცვლის ზომით- დიდი (1-5 მმ), პატარა (0,1-1,0 მმ), წვრილად დაშლილი (0,1 მმ-ზე ნაკლები); კონკრეტული ზედაპირის მიხედვით- მცირე (1 მ 2 / გ-ზე ნაკლები), საშუალო (1-50 მ 2 / გ), განვითარებული (50 მ 2 / გ-ზე მეტი).

ჩვენ შევიძენთ სამრეწველო კატალიზატორებს ნებისმიერი მოცულობის დონის როსტოვსა და როსტოვის რეგიონში.

კატალიზატორების შესახებ

კატალიზატორი არის ქიმიური ნივთიერება, რომელიც ხელს უწყობს რეაქციის დაჩქარებას. მას აქვს ფართო გამოყენება სხვადასხვა ინდუსტრიაში. კატალიზატორის ძირითადი მომხმარებლები არიან ნავთობგადამამუშავებელი, ნავთობქიმიური და ქიმიური მრეწველობა, ისინი წარმატებით გამოიყენება ეკოლოგიისა და გარემოს დაცვის სფეროში.

კლასიფიკაცია

ყველა წარმოებული მოწყობილობა კლასიფიცირდება:

კატალიზური რეაქციის ტიპის მიხედვით – მჟავა-ტუტოვანი, რედოქსი
კატალიზური პროცესის ჯგუფის მიხედვით - ამიაკის სინთეზი, ნავთობპროდუქტების კრეკინგი
გამოყენებული აქტიური ბაზის ბუნებით - მეტალიკი, ოქსიდი, სულფიდი, კომპლექსი და სხვა
წარმოების მეთოდით

ყველა კატალიზატორი იყენებს ფერად და ძვირფასი მეტალები: პლატინი, ალუმინი, რკინა, ქრომი, ნიკელი, ვანადიუმი, კობალტი, ბისმუტი, ვერცხლი, ოქრო და მრავალი სხვა.

სამრეწველო კატალიზატორები ასევე ერთგვაროვანი და ჰეტეროგენულია. ჰომოგენური - არის რეაგენტთან საერთო ფაზაში. კატალიზატორს, რომელიც ქმნის საკუთარ ფაზას, გამოყოფილია რეაგენტებისგან, ეწოდება ჰეტეროგენული. სამრეწველო და სხვა სახის კატალიზატორების გამოყენებით, ჩვენ შეგვიძლია არა მხოლოდ გადავარჩინოთ ბუნება ტოქსიკური ნივთიერებებისგან, რომლებიც არსებობს ნებისმიერ წარმოებაში, არამედ გადავარჩინოთ ნედლეულიც.

სამრეწველო აპლიკაციები

ინდუსტრიის სწრაფი ზრდა, რომელსაც ჩვენ ახლა ვხედავთ, შეუძლებელი იქნებოდა ახალი ქიმიური ნივთიერებების განვითარებისა და გაჩენის გარეშე. ტექნოლოგიური პროცესები. პროგრესს დიდწილად უწყობს ხელს კატალიზატორების ფართო გამოყენება; ისინი ხელს უწყობენ დაბალი ხარისხის ნედლეულის მაღალხარისხიან პროდუქტად გადაქცევას. კატალიზატორი შეიძლება შევადაროთ ფილოსოფოსის ქვას, რომელიც ითვლებოდა, რომ გარდაქმნის გარკვეულ ლითონებს ოქროდ. მაგრამ მხოლოდ კატალიზატორები გარდაქმნის ნედლეულს სხვადასხვა წამლებად, პლასტმასებად, ქიმიკატებად, საწვავად, სასარგებლო და საჭირო სასუქებად და სხვა კომუნალურ პროდუქტებად.

კატალიზატორების გამოყენება

კატალიზატორის პრაქტიკული გამოყენებისთვის მნიშვნელოვანი მოვლენაა მარგარინის წარმოების დაწყება მცენარეული ზეთების კატალიზური ჰიდროგენიზაციის მეთოდით. ეს პირველად განხორციელდა მე-20 საუკუნის დასაწყისში და უკვე ოციან წლებში მეცნიერებმა შეიმუშავეს კატალიზური მეთოდები ახალი ორგანული მასალების მისაღებად. ოლეფინები, ნიტრილები, ეთერები და მჟავები გახდა ერთგვარი "სამშენებლო ბლოკი" პლასტმასის წარმოებისთვის.

შემდეგი ტალღა, რომელშიც დაიწყო სამრეწველო კატალიზატორების გამოყენება, იყო ნავთობის გადამუშავება. მალე, ინდუსტრიის ამ სფეროში, კატალიზატორები აღარ იყო საჭირო, რადგან ეს მოწყობილობები გამოიყენება პროცესის ყველა ეტაპზე, როგორიცაა:

ბზარი
რეფორმირება
ჰიდროსულფონაცია
ჰიდროკრეკინგი
იზომერიზაცია
პოლიმერიზაცია
ალკილაცია

IN ბოლო წლებიკატალიზატორები ფართოდ გამოიყენება გარემოს დაცვის სფეროში. ყველაზე ცნობილი მოწყობილობა, რომელიც გვეხმარება გარემოს შენარჩუნებაში, არის გამონაბოლქვი აირის კატალიზატორი მანქანებში.

ნეიტრალიზატორების გამოყენების სფეროები მუდმივად ფართოვდება; კატალიზური რეაქცია შესაძლებელს ხდის ადრე განვითარებული ტექნოლოგიების გაუმჯობესებას. მაგალითად, კატალიზური კრეკინგი გაუმჯობესდა ცეოლიტების გამოყენებით.

ჰიდროგენიზაცია

ძირითადად, კატალიზური რეაქციები გულისხმობს წყალბადის ატომის გააქტიურებას სხვა მოლეკულებთან, რაც იწვევს ქიმიურ ურთიერთქმედებას. ამ პროცესს ჰქვია ჰიდროგენიზაცია და ის წარმოადგენს ნავთობის გადამუშავების მრავალი ეტაპის საფუძველს, ასევე ნახშირისგან თხევადი საწვავის წარმოებას. ომის დროს გერმანიაში ჰიდროგენაციის პროცესი ფართოდ გამოიყენებოდა თვითმფრინავებისთვის ბენზინის დასამზადებლად და ნახშირისგან მანქანებისთვის საწვავის საწარმოებლად, რადგან გერმანიას ნავთობი არ აქვს.

მცენარეული საკვები ზეთების ჰიდროგენიზაცია

კიდევ ერთი სასარგებლო თვისება, რაც კატალიზატორებს აქვთ კვების მრეწველობაში, არის მცენარეული ზეთის ჰიდროგენიზაცია მარგარინში, სამზარეულოს ზეთში და სხვა საკვებ პროდუქტებში. ამ შემთხვევაში, წვრილი ნიკელის ფხვნილი გამოიყენება კატალიზატორზე ან სუბსტრატზე.

დეჰიდროგენაცია

კატალიზის ეს ქიმიური რეაქცია უფრო იშვიათად გამოიყენება, ვიდრე ჰიდროგენიზაცია, მაგრამ, მიუხედავად ამისა, მნიშვნელოვანია ისიც, რომ ის ხელს უწყობს სტირონის, პროპანის, ბუტანის, ბუტენის მიღებას.

მჟავა კატალიზი

კატალიზატორების უმეტესობის აქტივობა განისაზღვრება და დამოკიდებულია მათ მჟავე თვისებებზე. მჟავა სამრეწველო კატალიზატორები უმეტეს შემთხვევაში გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში პარაფინებისა და არომატული ნახშირწყალბადების წარმოებისთვის. კატალიზატორების გამოყენებაში უახლესი რამ არის ტყვიის შემცველი საწვავის წარმოება, ასევე მაღალი ოქტანური ტიპის ბენზინი.

უნდა ითქვას, რომ ჯერ კიდევ არ არსებობს სამრეწველო კატალიზატორების ერთიანი კატალოგი. ყველაფერი გამოცდილებით მიდის. კატალიზატორები კლასიფიცირდება შემდეგი პარამეტრების მიხედვით:

კატალიზური რეაქციის ტიპი
აქტიური ნივთიერების ბუნება
კატალიზური პროცესის ჯგუფი.

ყველაზე ყოვლისმომცველი ვარიანტი მესამეა, რადგან ის არის ყველაზე მეტად ორიენტირებული თანამედროვე ინდუსტრიაზე - ნავთობქიმიური, ქიმიური, ნავთობგადამამუშავებელი.

შექმნის ისტორია

ითვლება, რომ კატალიზატორის პირველი გამოყენება იყო ეთილის ეთერის წარმოება ალკოჰოლიდან გოგირდმჟავას, როგორც კატალიზატორის გამოყენებით. მე-18 საუკუნეში აღმოაჩინეს მჟავის კატალიზური მოქმედება სახამებლის საქარიფიკაციისთვის. აქ თიხა და ზოგიერთი სახის ლითონი გამოიყენებოდა კატალიზატორად. მაგრამ მაინც, "კატალიზის" კონცეფცია ჯერ არ არსებობდა. მხოლოდ 1834 წელს მიცჩერლიხმა შემოიღო „კონტაქტური რეაქციის“ კონცეფცია. სახელწოდება "კატალიზი" შემოგვთავაზა ბერცელიუსმა ერთი წლის შემდეგ - 1835 წელს.

ლითონის პლატინის გამოყენება დაჟანგვისთვის დაპატენტებული იყო 1831 წელს მეცნიერმა ფილიპსმა, მაგრამ კატალიზის ამ მეთოდს არ მიუღია ინდუსტრიული გამოყენება მრავალი მიზეზის გამო (პლატინი ამცირებდა აქტივობას დარიშხანთან და გაზებში შემავალ სხვა ტოქსიკურ ნივთიერებებთან შერწყმისას). მას შემდეგ, რაც ჩვენ შევიმუშავეთ სხვადასხვა გაზების ტოქსიკური ნივთიერებებისგან გაწმენდის მეთოდი, შესაძლებელი გახდა პირველი დიდი სამრეწველო მოწყობილობების შექმნა. იგი ექსპლუატაციაში შევიდა რუსეთში 1897 წელს და დაპატენტდა 1902 წელს. დღეს ყველაზე მნიშვნელოვანი და მსხვილი საწარმოებისხვადასხვა ინდუსტრია იყენებს სამრეწველო „კატებს“ და თითოეული პროცესი იყენებს თავისებურ კატალიზატორს, რომელსაც აქვს თვისებების ოპტიმალური კომბინაცია.

ამ მოწყობილობების წარმოების მოცულობა მსოფლიოში 800 ათას ტონაზე მეტია წელიწადში. ზოგიერთი კატალიზატორი ძლებს 6 თვიდან ერთ წლამდე, ზოგს კი გაცილებით ხანგრძლივი მომსახურების ვადა - 10-12 წლამდე. სამუშაო ლიმიტის მიღწევის შემდეგ, კატალიზატორი სათანადოდ უნდა განადგურდეს.

ჩვენი კომპანია გთავაზობთ მომგებიანი პირობებიგაყიდვები ოპტიმალურ ფასებში. დაგვიკავშირდით - გახსოვდეთ, რომ კატალიზატორები შეიცავს არა მხოლოდ ძვირფას ლითონებს, არამედ მავნე ნივთიერებებსაც. ნუ გადააგდებთ მოწყობილობებს ნაგავსაყრელებზე, სჯობს ბუნება გადავარჩინოთ და ამას გარდა, ჯართისთვის კარგი თანხის მიღებაც შეგიძლიათ.

სტატიის შინაარსი

კატალიზი,ქიმიური რეაქციების დაჩქარება მცირე რაოდენობით ნივთიერებების (კატალიზატორების) გავლენით, რომლებიც თავად არ იცვლება რეაქციის დროს. კატალიზური პროცესები დიდ როლს თამაშობს ჩვენს ცხოვრებაში. ბიოლოგიური კატალიზატორები, სახელწოდებით ფერმენტები, მონაწილეობენ ბიოქიმიური პროცესების რეგულირებაში. კატალიზატორების გარეშე მრავალი სამრეწველო პროცესი ვერ მოხდებოდა.

კატალიზატორების ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებაა სელექციურობა, ე.ი. მრავალი შესაძლოდან მხოლოდ გარკვეული ქიმიური რეაქციების სიჩქარის გაზრდის უნარი. ეს საშუალებას აძლევს რეაქციებს, რომლებიც ძალიან ნელია, იყოს პრაქტიკული ნორმალურ პირობებში და უზრუნველყოფს სასურველი პროდუქტების ფორმირებას.

კატალიზატორების გამოყენებამ ხელი შეუწყო სწრაფ განვითარებას ქიმიური მრეწველობა. ისინი ფართოდ გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში, სხვადასხვა პროდუქციის მოპოვებაში და ახალი მასალების (მაგალითად, პლასტმასის) შესაქმნელად, ხშირად უფრო იაფი, ვიდრე ადრე გამოყენებული. თანამედროვე მოცულობის დაახლოებით 90%. ქიმიური წარმოებაკატალიზური პროცესების საფუძველზე. კატალიზური პროცესები განსაკუთრებულ როლს თამაშობს გარემოს დაცვაში.

კატალიზური რეაქციების უმეტესობა ტარდება გარკვეულ წნევასა და ტემპერატურაზე რეაქციული ნარევის გავლის გზით, რომელიც არის აირისებრ ან თხევად მდგომარეობაში, კატალიზატორის ნაწილაკებით სავსე რეაქტორში. შემდეგი ცნებები გამოიყენება რეაქციის პირობებისა და პროდუქტის მახასიათებლების აღსაწერად. სივრცის სიჩქარე არის გაზის ან სითხის მოცულობა, რომელიც გადის კატალიზატორის მოცულობის ერთეულში დროის ერთეულში. კატალიზური აქტივობა არის რეაგენტების რაოდენობა, რომლებიც გარდაიქმნება კატალიზატორის მიერ პროდუქტებად ერთეულ დროში. კონვერტაცია არის ნივთიერების ფრაქცია, რომელიც გარდაიქმნება მოცემულ რეაქციაში. სელექციურობა არის კონკრეტული პროდუქტის ოდენობის თანაფარდობა პროდუქციის მთლიან რაოდენობასთან (ჩვეულებრივ გამოხატულია პროცენტულად). მოსავლიანობა-რაოდენობის თანაფარდობა ამ პროდუქტისრაოდენობამდე წყარო მასალა(ჩვეულებრივ გამოხატულია პროცენტულად). პროდუქტიულობა არის რეაქციის პროდუქტების რაოდენობა, რომლებიც წარმოიქმნება ერთეულ მოცულობაზე ერთეულ დროს.

კატალიზატორის ტიპები

კატალიზატორები კლასიფიცირდება რეაქციის ბუნების მიხედვით, რომელსაც ისინი აჩქარებენ. ქიმიური შემადგენლობაან ფიზიკური თვისებები. თითქმის ყველა მათგანს ამა თუ იმ ხარისხით აქვს კატალიზური თვისებები. ქიმიური ელემენტებიდა ნივთიერებები - თავისთავად ან, უფრო ხშირად, სხვადასხვა კომბინაციებში. მათივე მიხედვით ფიზიკური თვისებებიკატალიზატორები იყოფა ერთგვაროვან და ჰეტეროგენებად. ჰეტეროგენული კატალიზატორები არის მყარი ნივთიერებები, რომლებიც ერთგვაროვანია, რომლებიც გაფანტულია იმავე გაზში ან თხევად გარემოში, როგორც რეაქციაში მყოფი ნივთიერებები.

ბევრი ჰეტეროგენული კატალიზატორი შეიცავს ლითონებს. ზოგიერთ მეტალს, განსაკუთრებით მათ, რომლებიც მიეკუთვნება ელემენტების პერიოდული სისტემის VIII ჯგუფს, აქვს თავისივე კატალიზური აქტივობა; ტიპიური მაგალითია პლატინა. მაგრამ მეტალების უმეტესობა ავლენს კატალიზურ თვისებებს ნაერთებში ყოფნისას; მაგალითი - ალუმინა (ალუმინის ოქსიდი Al 2 O 3).

მრავალი ჰეტეროგენული კატალიზატორის უჩვეულო თვისებაა მათი დიდი ზედაპირი. მათში შედის მრავალი ფორები, რომელთა საერთო ფართობი ზოგჯერ აღწევს 500 მ 2 1 გრ კატალიზატორზე. ხშირ შემთხვევაში, დიდი ზედაპირის მქონე ოქსიდები ემსახურება როგორც სუბსტრატს, რომელზედაც ლითონის კატალიზატორის ნაწილაკები დეპონირდება მცირე მტევნის სახით. ეს უზრუნველყოფს გაზის ან თხევადი ფაზის რეაგენტების ეფექტურ ურთიერთქმედებას კატალიზურად აქტიურ ლითონთან. ჰეტეროგენული კატალიზატორების განსაკუთრებულ კლასს წარმოადგენენ ცეოლიტები - ალუმოსილიკატების ჯგუფის კრისტალური მინერალები (სილიციუმის და ალუმინის ნაერთები). მიუხედავად იმისა, რომ ბევრ ჰეტეროგენულ კატალიზატორს აქვს დიდი ზედაპირის ფართობი, მათ ჩვეულებრივ აქვთ მხოლოდ მცირე რაოდენობის აქტიური უბნები, რომლებიც მთლიანი ზედაპირის მცირე ნაწილს შეადგენს. კატალიზატორებმა შეიძლება დაკარგონ აქტივობა მცირე რაოდენობით ქიმიური ნაერთების არსებობისას, რომელსაც კატალიზატორის შხამი ეწოდება. ეს ნივთიერებები აკავშირებს აქტიურ ცენტრებს, ბლოკავს მათ. აქტიური უბნების სტრუქტურის განსაზღვრა ინტენსიური კვლევის საგანია.

ჰომოგენურ კატალიზატორებს აქვთ განსხვავებული ქიმიური ბუნება - მჟავები (H 2 SO 4 ან H 3 PO 4), ფუძეები (NaOH), ორგანული ამინები, ლითონები, ყველაზე ხშირად გარდამავალი ლითონები (Fe ან Rh), მარილების, ორგანული მეტალის ნაერთების ან კარბონილები. კატალიზატორებში ასევე შედის ფერმენტები - ცილის მოლეკულები, რომლებიც არეგულირებენ ბიოქიმიურ რეაქციებს. ზოგიერთი ფერმენტის აქტიური ადგილი შეიცავს ლითონის ატომს (Zn, Cu, Fe ან Mo). ლითონის შემცველი ფერმენტები ახდენენ რეაქციების კატალიზებას მცირე მოლეკულების (O 2, CO 2 ან N 2) მონაწილეობით. ფერმენტებს აქვთ ძალიან მაღალი აქტივობა და სელექციურობა, მაგრამ ისინი მუშაობენ მხოლოდ გარკვეულ პირობებში, როგორიცაა ისეთ პირობებში, როდესაც რეაქციები ხდება ცოცხალ ორგანიზმებში. ინდუსტრიაში ხშირად გამოიყენება ე.წ. იმობილიზებული ფერმენტები.

როგორ მუშაობს კატალიზატორები

ენერგია.

ნებისმიერი ქიმიური რეაქცია შეიძლება მოხდეს მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ რეაგენტები გადალახავენ ენერგეტიკულ ბარიერს და ამისთვის მათ უნდა შეიძინონ გარკვეული ენერგია. როგორც უკვე ვთქვით, კატალიზური რეაქცია X ® Y შედგება რიგი თანმიმდევრული ეტაპისგან. თითოეული მათგანის განსახორციელებლად ენერგია სჭირდება. ეაქტივაციის ენერგიას უწოდებენ. ენერგიის ცვლილება რეაქციის კოორდინატთან ერთად ნაჩვენებია ნახ. 1.

ჯერ განვიხილოთ არაკატალიზური, „თერმული“ გზა. რეაქცია რომ მოხდეს X მოლეკულების პოტენციური ენერგია უნდა აღემატებოდეს ენერგეტიკულ ბარიერს ეტ. კატალიზური რეაქცია შედგება სამი ეტაპისგან. პირველი არის X-Cat კომპლექსის ფორმირება. (ქიმიისორბცია), რომლის აქტივაციის ენერგია უდრის ერეკლამები. მეორე ეტაპი არის X-Cat-ის გადაჯგუფება. ® Y-Cat. აქტივაციის ენერგიით ეკატა, და ბოლოს, მესამე - დეზორბცია აქტივაციის ენერგიით ედეს; ერეკლამები, ეკატა და ეგაცილებით ნაკლებია ეტ) ვინაიდან რეაქციის სიჩქარე ექსპონენციალურად არის დამოკიდებული აქტივაციის ენერგიაზე, კატალიზური რეაქცია გაცილებით სწრაფად მიმდინარეობს, ვიდრე თერმული რეაქცია მოცემულ ტემპერატურაზე.

კატალიზატორი შეიძლება შევადაროთ მეგზურს, რომელიც ხელმძღვანელობს მთამსვლელებს (რეაქტიული მოლეკულები) მთის ქედზე. ის მიჰყავს ერთ ჯგუფს უღელტეხილზე და შემდეგ ბრუნდება მეორეზე. გზა უღელტეხილზე მნიშვნელოვნად დაბალია, ვიდრე მწვერვალზე (რეაქციის თერმული არხი) და ჯგუფი გადასვლას უფრო სწრაფად აკეთებს, ვიდრე გამტარის (კატალიზატორის) გარეშე. შესაძლებელია კიდეც, ჯგუფი დამოუკიდებლად ვერ გადალახავდა ქედს.

კატალიზის თეორიები.

კატალიზური რეაქციების მექანიზმის ასახსნელად შემოთავაზებულია თეორიების სამი ჯგუფი: გეომეტრიული, ელექტრონული და ქიმიური. გეომეტრიულ თეორიებში მთავარი ყურადღება ეთმობა შესაბამისობას კატალიზატორის აქტიური ცენტრების ატომების გეომეტრიულ კონფიგურაციასა და რეაქტიული მოლეკულების იმ ნაწილის ატომებს შორის, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან კატალიზატორთან შეკავშირებაზე. ელექტრონული თეორიები ეფუძნება აზრს, რომ ქიმისორბცია გამოწვეულია ელექტრონული ურთიერთქმედებით, რომელიც დაკავშირებულია მუხტის გადაცემასთან, ე.ი. ეს თეორიები კატალიზურ აქტივობას უკავშირებენ ელექტრონული თვისებებიკატალიზატორი. ქიმიური თეორია კატალიზატორს განიხილავს, როგორც დამახასიათებელი თვისებების მქონე ქიმიურ ნაერთს, რომელიც აყალიბებს ქიმიურ კავშირებს რეაგენტებთან, რის შედეგადაც წარმოიქმნება არასტაბილური გარდამავალი კომპლექსი. პროდუქტების გამოყოფით კომპლექსის დაშლის შემდეგ, კატალიზატორი უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას. ეს უკანასკნელი თეორია ახლა ყველაზე ადეკვატურად ითვლება.

მოლეკულურ დონეზე, კატალიზური გაზის ფაზის რეაქცია შეიძლება წარმოდგენილი იყოს შემდეგნაირად. ერთი რეაქტიული მოლეკულა აკავშირებს კატალიზატორის აქტიურ ადგილს, ხოლო მეორე ურთიერთქმედებს მასთან, უშუალოდ აირის ფაზაში. ასევე შესაძლებელია ალტერნატიული მექანიზმი: რეაქტიული მოლეკულები ადსორბირებულია კატალიზატორის მეზობელ აქტიურ ცენტრებზე და შემდეგ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. როგორც ჩანს, ასე მიმდინარეობს კატალიზური რეაქციების უმეტესობა.

სხვა კონცეფცია ვარაუდობს, რომ არსებობს კავშირი კატალიზატორის ზედაპირზე ატომების სივრცით განლაგებასა და მის კატალიზურ აქტივობას შორის. ზოგიერთი კატალიზური პროცესის, მათ შორის მრავალი ჰიდროგენიზაციის რეაქციის სიჩქარე, არ არის დამოკიდებული ზედაპირზე კატალიზურად აქტიური ატომების შედარებით პოზიციაზე; პირიქით, სხვების სიჩქარე მნიშვნელოვნად იცვლება ზედაპირის ატომების სივრცითი კონფიგურაციის ცვლილებებით. მაგალითია ნეოპენტანის იზომერიზაცია იზოპენტანად და ამ უკანასკნელის ერთდროული კრეკი იზობუტანისა და მეთანისკენ Pt-Al 2 O 3 კატალიზატორის ზედაპირზე.

კატალიზის გამოყენება ინდუსტრიაში

სწრაფი ინდუსტრიული ზრდა, რომელსაც ჩვენ ახლა განვიცდით, შეუძლებელი იქნებოდა ახალი ქიმიური ტექნოლოგიების განვითარების გარეშე. ამ პროგრესს დიდწილად განსაზღვრავს კატალიზატორების ფართო გამოყენება, რომელთა დახმარებით დაბალი ხარისხის ნედლეული გარდაიქმნება მაღალი ღირებულების პროდუქტად. ფიგურალურად რომ ვთქვათ, კატალიზატორი არის თანამედროვე ალქიმიკოსის ფილოსოფიური ქვა, მხოლოდ ის გარდაქმნის არა ტყვიას ოქროდ, არამედ ნედლეულს წამლებად, პლასტმასებად, ქიმიკატებად, საწვავად, სასუქებად და სხვა სასარგებლო პროდუქტებად.

შესაძლოა, პირველი კატალიზური პროცესი, რომლის გამოყენებაც ადამიანმა ისწავლა, იყო დუღილი. ალკოჰოლური სასმელების მომზადების რეცეპტები შუმერებისთვის ჯერ კიდევ 3500 წელს იყო ცნობილი. Სმ. ᲦᲕᲘᲜᲝ; ლუდი.

მნიშვნელოვანი ეტაპია პრაქტიკული გამოყენებაკატალიზი იყო მარგარინის წარმოება მცენარეული ზეთის კატალიზური ჰიდროგენაციით. ეს რეაქცია პირველად სამრეწველო მასშტაბით განხორციელდა დაახლოებით 1900 წელს. და 1920-იანი წლებიდან, ახალი ორგანული მასალების, უპირველეს ყოვლისა პლასტმასის, წარმოების კატალიზური მეთოდები ერთმანეთის მიყოლებით განვითარდა. მთავარი პუნქტი იყო ოლეფინების, ნიტრილების, ეთერების, მჟავების და ა.შ. კატალიზური წარმოება. - "აგური" პლასტმასის ქიმიური "კონსტრუქციისთვის".

კატალიზური პროცესების სამრეწველო გამოყენების მესამე ტალღა მოხდა 1930-იან წლებში და დაკავშირებული იყო ნავთობის გადამუშავებასთან. მოცულობის თვალსაზრისით, ამ პროდუქციამ მალე დატოვა ყველა დანარჩენი. ნავთობის გადამუშავება შედგება რამდენიმე კატალიზური პროცესისგან: კრეკინგი, რეფორმირება, ჰიდროსულფონაცია, ჰიდროკრეკინგი, იზომერიზაცია, პოლიმერიზაცია და ალკილაცია.

დაბოლოს, კატალიზის გამოყენების მეოთხე ტალღა დაკავშირებულია გარემოს დაცვასთან. ყველაზე ცნობილი მიღწევა ამ სფეროში არის კატალიზატორის შექმნა საავტომობილო გამონაბოლქვი აირებისთვის. კატალიზატორი, რომელიც მანქანებში 1975 წლიდან დამონტაჟდა, დიდი როლი ითამაშა ჰაერის ხარისხის გაუმჯობესებაში და ამით მრავალი ადამიანის სიცოცხლის გადარჩენაში.

ათამდე ნობელის პრემია მიენიჭა კატალიზსა და მასთან დაკავშირებულ სფეროებში მუშაობისთვის.

კატალიზური პროცესების პრაქტიკული მნიშვნელობა მოწმობს იმით, რომ ინდუსტრიულად წარმოებულ აზოტის შემცველ ნაერთებში შემავალი აზოტის წილი შეადგენს შემადგენლობაში შემავალი აზოტის დაახლოებით ნახევარს. საკვები პროდუქტები. ბუნებრივად გამომუშავებული აზოტის ნაერთების რაოდენობა შეზღუდულია, ამიტომ დიეტური ცილების გამომუშავება დამოკიდებულია ნიადაგში სასუქების მეშვეობით დამატებულ აზოტის რაოდენობაზე. შეუძლებელი იქნებოდა კაცობრიობის ნახევრის გამოკვება სინთეზური ამიაკის გარეშე, რომელიც წარმოიქმნება თითქმის ექსკლუზიურად Haber-Bosch-ის კატალიზური პროცესით.

კატალიზატორების გამოყენების სფერო მუდმივად ფართოვდება. ასევე მნიშვნელოვანია, რომ კატალიზმა შეიძლება მნიშვნელოვნად გაზარდოს ადრე შემუშავებული ტექნოლოგიების ეფექტურობა. ამის მაგალითია კატალიზური კრეკინგის გაუმჯობესება ცეოლიტების გამოყენებით.

ჰიდროგენიზაცია.

კატალიზური რეაქციების დიდი რაოდენობა დაკავშირებულია წყალბადის ატომის და ზოგიერთი სხვა მოლეკულის გააქტიურებასთან, რაც იწვევს მათ ქიმიურ ურთიერთქმედებას. ამ პროცესს ეწოდება ჰიდროგენიზაცია და საფუძვლად უდევს ნავთობის გადამუშავების და ნახშირისგან თხევადი საწვავის წარმოების ბევრ ეტაპს (ბერგიუსის პროცესი).

საავიაციო ბენზინის და საავტომობილო საწვავის წარმოება ქვანახშირისგან განვითარდა გერმანიაში მეორე მსოფლიო ომის დროს, რადგან ამ ქვეყანას არ ჰქონდა ნავთობის საბადოები. ბერგიუსის პროცესი ნახშირში წყალბადის პირდაპირ დამატებას გულისხმობს. ქვანახშირი თბება ზეწოლის ქვეშ წყალბადის თანდასწრებით თხევადი პროდუქტის მისაღებად, რომელიც შემდეგ გადამუშავდება საავიაციო ბენზინში და საავტომობილო საწვავად. რკინის ოქსიდი გამოიყენება როგორც კატალიზატორი, ასევე კატალიზატორები კალის და მოლიბდენის საფუძველზე. ომის დროს გერმანიაში 12 ქარხანა დღეში დაახლოებით 1400 ტონა თხევად საწვავს აწარმოებდა ბერგიუსის პროცესის გამოყენებით.

კიდევ ერთი პროცესი, Fischer-Tropsch, შედგება ორი ეტაპისგან. ჯერ ნახშირი გაზიფიცირებულია, ე.ი. ისინი რეაგირებენ წყლის ორთქლთან და ჟანგბადთან და იღებენ წყალბადისა და ნახშირბადის ოქსიდების ნარევს. ეს ნარევი გარდაიქმნება თხევად საწვავად რკინის ან კობალტის შემცველი კატალიზატორების გამოყენებით. ომის დამთავრებისთანავე გერმანიაში ქვანახშირისგან სინთეტიკური საწვავის წარმოება შეწყდა.

1973-1974 წლების ნავთობის ემბარგოს შემდეგ ნავთობის ფასების ზრდის შედეგად, ენერგიული ძალისხმევა გაკეთდა ეკონომიკური განვითარებისთვის. მომგებიანი გზანახშირისგან ბენზინის მიღება. ამრიგად, ნახშირის პირდაპირი გათხევადება შეიძლება უფრო ეფექტურად განხორციელდეს ორეტაპიანი პროცესის გამოყენებით, რომლის დროსაც ნახშირი პირველად დაუკავშირდება ალუმინის-კობალტ-მოლიბდენის კატალიზატორს შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე და შემდეგ უფრო მაღალ ტემპერატურაზე. მაღალი ტემპერატურა. ასეთი სინთეზური ბენზინის ღირებულება უფრო მაღალია, ვიდრე ნავთობისგან მიღებული.

ამიაკი.

ჰიდროგენიზაციის ერთ-ერთი უმარტივესი პროცესი ქიმიური თვალსაზრისით არის ამიაკის სინთეზი წყალბადისა და აზოტისგან. აზოტი ძალიან ინერტული ნივთიერებაა. მის მოლეკულაში N–N ბმის გასაწყვეტად საჭიროა დაახლოებით 200 კკალ/მოლი ენერგია. თუმცა, აზოტი ატომურ მდგომარეობაში აკავშირებს რკინის კატალიზატორის ზედაპირს და ამას მხოლოდ 20 კკალ/მოლი სჭირდება. წყალბადი კიდევ უფრო ადვილად უერთდება რკინას. ამიაკის სინთეზი შემდეგნაირად მიმდინარეობს:

ეს მაგალითი ასახავს კატალიზატორის უნარს, დააჩქაროს როგორც წინა, ისე საპირისპირო რეაქციები თანაბრად, ე.ი. ის ფაქტი, რომ კატალიზატორი არ ცვლის ქიმიური რეაქციის წონასწორობას.

მცენარეული ზეთის ჰიდროგენიზაცია.

ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ჰიდროგენიზაციის რეაქცია პრაქტიკული თვალსაზრისით არის მცენარეული ზეთების არასრული ჰიდროგენაცია მარგარინში, სამზარეულოს ზეთში და სხვა საკვებ პროდუქტებში. მცენარეული ზეთები მიიღება სოიოს, ბამბის თესლისა და სხვა კულტურებისგან. ისინი შეიცავენ ეთერებს, კერძოდ, ცხიმოვანი მჟავების ტრიგლიცერიდებს სხვადასხვა ხარისხის უჯერობით. ოლეინის მჟავას CH 3 (CH 2) 7 CH=CH(CH 2) 7 COOH აქვს ერთი C=C ორმაგი ბმა, ლინოლეინის მჟავას აქვს ორი და ლინოლენის მჟავას აქვს სამი. ამ კავშირის გასაწყვეტად წყალბადის დამატება ხელს უშლის ზეთების დაჟანგვას (გაფუჭებას). ეს ზრდის მათ დნობის წერტილს. შედეგად მიღებული პროდუქტების უმეტესობის სიმტკიცე დამოკიდებულია ჰიდროგენიზაციის ხარისხზე. ჰიდროგენიზაცია ხორციელდება ნიკელის თხელი ფხვნილის თანდასწრებით, რომელიც დეპონირებულია სუბსტრატზე ან Raney ნიკელის კატალიზატორზე მაღალ გაწმენდილი წყალბადის ატმოსფეროში.

დეჰიდროგენაცია.

დეჰიდროგენაცია ასევე ინდუსტრიულად მნიშვნელოვანი კატალიზური რეაქციაა, თუმცა მისი გამოყენების მასშტაბები შეუდარებლად მცირეა. მისი დახმარებით, მაგალითად, მიიღება სტირონი, მნიშვნელოვანი მონომერი. ამისათვის ხდება ეთილბენზოლის დეჰიდროგენიზაცია რკინის ოქსიდის შემცველი კატალიზატორის თანდასწრებით; რეაქციას ასევე ხელს უწყობს კალიუმი და რაიმე სახის სტრუქტურული სტაბილიზატორი. პროპანის, ბუტანის და სხვა ალკანების დეჰიდროგენიზაცია ხორციელდება სამრეწველო მასშტაბით. ბუტანის დეჰიდროგენაცია ქრომ-ალუმინის კატალიზატორის თანდასწრებით წარმოქმნის ბუტენებს და ბუტადიენს.

მჟავა კატალიზი.

კატალიზატორების დიდი კლასის კატალიზური აქტივობა განისაზღვრება მათი მჟავე თვისებებით. I. Brønsted და T. Lowry-ის მიხედვით, მჟავა არის ნაერთი, რომელსაც შეუძლია პროტონის შემოწირულობა. ძლიერი მჟავები ადვილად აძლევენ თავიანთ პროტონებს ფუძეებს. მჟავიანობის კონცეფცია შემდგომ განვითარდა გ. ლუისის ნაშრომებში, რომელმაც მჟავა განსაზღვრა, როგორც ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია მიიღოს ელექტრონული წყვილი დონორი ნივთიერებიდან კოვალენტური ბმის წარმოქმნით ამ ელექტრონული წყვილის სოციალიზაციის გამო. ეს იდეები, კარბენიუმის იონების წარმომქმნელი რეაქციების შესახებ იდეებთან ერთად, დაეხმარა სხვადასხვა კატალიზური რეაქციის მექანიზმის გაგებას, განსაკუთრებით ნახშირწყალბადებს.

მჟავის სიძლიერის დადგენა შესაძლებელია ფუძეების ნაკრების გამოყენებით, რომლებიც ფერს იცვლის პროტონის დამატებისას. გამოდის, რომ ზოგიერთი ინდუსტრიულად მნიშვნელოვანი კატალიზატორი იქცევა ძალიან ძლიერი მჟავების მსგავსად. მათ შორისაა Friedel-Crafts პროცესის კატალიზატორი, როგორიცაა HCl-AlCl 2 O 3 (ან HAlCl 4) და ალუმინოსილიკატები. მჟავას სიძლიერე ძალიან მნიშვნელოვანი მახასიათებელია, რადგან ის განსაზღვრავს პროტონაციის სიჩქარეს, მჟავა კატალიზის პროცესში საკვანძო საფეხურს.

ისეთი კატალიზატორების აქტივობა, როგორიცაა ალუმინოსილიკატები, რომლებიც გამოიყენება ნავთობის კრეკში, განისაზღვრება ბრონსტედისა და ლუისის მჟავების არსებობით მათ ზედაპირზე. მათი აგებულება სილიციუმის დიოქსიდის (სილიციუმის დიოქსიდი) სტრუქტურის მსგავსია, რომელშიც Si 4+ ატომების ნაწილი ჩანაცვლებულია Al 3+ ატომებით. ჭარბი უარყოფითი მუხტი, რომელიც წარმოიქმნება ამ შემთხვევაში, შეიძლება განეიტრალდეს შესაბამისი კათიონებით. თუ კათიონები პროტონებია, მაშინ ალუმინოსილიკატი ბრონსტედის მჟავის მსგავსად იქცევა:

მჟავა კატალიზატორების აქტივობა განისაზღვრება ნახშირწყალბადებთან ურთიერთქმედების უნარით, რათა წარმოქმნან კარბენიუმის იონი, როგორც შუალედური პროდუქტი. ალკილკარბენიუმის იონები შეიცავს დადებითად დამუხტულ ნახშირბადის ატომს, რომელიც დაკავშირებულია სამ ალკილის ჯგუფთან და/ან წყალბადის ატომთან. ისინი მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ, როგორც შუამავლები, რომლებიც წარმოიქმნება მრავალ რეაქციაში, რომლებიც მოიცავს ორგანულ ნაერთებს. მჟავა კატალიზატორების მოქმედების მექანიზმი შეიძლება ილუსტრირებული იყოს იზომერიზაციის რეაქციის მაგალითის გამოყენებით ნ-ბუტანი იზობუტანამდე HCl-AlCl3 ან Pt-Cl-Al2O3 თანდასწრებით. პირველი, C4H8 ოლეფინის მცირე რაოდენობა მიმაგრებულია მჟავა კატალიზატორის დადებითად დამუხტულ წყალბადის იონზე, რათა წარმოქმნას მესამეული კარბენიუმის იონი. შემდეგ უარყოფითად დამუხტული ჰიდრიდის იონი H – გამოიყოფა ნ-ბუტანი წარმოქმნის იზობუტანს და მეორად ბუტილკარბენიუმის იონს. ეს უკანასკნელი გადაწყობის შედეგად გადაიქცევა მესამეულ კარბენიუმის იონად. ეს ჯაჭვი შეიძლება გაგრძელდეს შემდეგი მოლეკულიდან ჰიდრიდის იონის აღმოფხვრით ნ-ბუტანი და ა.შ.:

მნიშვნელოვანია, რომ მესამეული კარბენიუმის იონები უფრო სტაბილურია, ვიდრე პირველადი ან მეორადი. შედეგად, ისინი ძირითადად გვხვდება კატალიზატორის ზედაპირზე და, შესაბამისად, ბუტანის იზომერიზაციის ძირითადი პროდუქტია იზობუტანი.

მჟავა კატალიზატორები ფართოდ გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში - ნახშირწყალბადების კრეკინგი, ალკილაცია, პოლიმერიზაცია და იზომერიზაცია. დადგენილია კარბენიუმის იონების მოქმედების მექანიზმი, რომლებიც ამ პროცესებში კატალიზატორების როლს ასრულებენ. ამით ისინი მონაწილეობენ უამრავ რეაქციაში, მათ შორის მცირე მოლეკულების წარმოქმნაში დიდი მოლეკულების დაშლით, მოლეკულების ერთობლიობა (ოლეფინი ოლეფინში ან ოლეფინი იზოპარაფინთან), სტრუქტურულ გადაწყობაში იზომერიზაციით და პარაფინებისა და არომატული ნივთიერებების წარმოქმნა. ნახშირწყალბადები წყალბადის გადაცემით.

მჟავა კატალიზის ერთ-ერთი უახლესი გამოყენება ინდუსტრიაში არის ტყვიის შემცველი საწვავის წარმოება იზობუტილენში ან იზოამილენში ალკოჰოლების დამატებით. ბენზინში ჟანგბადის შემცველი ნაერთების დამატება ამცირებს ნახშირბადის მონოქსიდის კონცენტრაციას გამონაბოლქვი აირებში. მეთილ- რუბლს-ბუტილის ეთერი (MTBE) შერევის ოქტანური რიცხვით 109 ასევე შესაძლებელს ხდის მაღალი ოქტანური საწვავის მიღებას, რომელიც აუცილებელია მანქანის ძრავით მუშაობისთვის. მაღალი ხარისხიშეკუმშვა ბენზინში ტეტრაეთილის ტყვიის შეყვანის გარეშე. ასევე მოეწყო საწვავის წარმოება ოქტანური ნომრებით 102 და 111.

ძირითადი კატალიზი.

კატალიზატორების აქტივობა განისაზღვრება მათი ძირითადი თვისებებით. ასეთი კატალიზატორების გრძელვადიანი და კარგად ცნობილი მაგალითია ნატრიუმის ჰიდროქსიდი, რომელიც გამოიყენება ცხიმების ჰიდროლიზებისთვის ან საპონიფიკაციოდ საპნის დასამზადებლად, და ერთ-ერთი ბოლო მაგალითია კატალიზატორები, რომლებიც გამოიყენება პოლიურეთანის პლასტმასის და ქაფის წარმოებაში. ურეთანი წარმოიქმნება ალკოჰოლის იზოციანატთან რეაქციით და ეს რეაქცია აჩქარებულია ძირითადი ამინების თანდასწრებით. რეაქციის დროს იზოციანატის მოლეკულაში ნახშირბადის ატომს ეკვრის ფუძე, რის შედეგადაც აზოტის ატომზე ჩნდება უარყოფითი მუხტი და იზრდება მისი აქტივობა ალკოჰოლის მიმართ. ტრიეთილენდიამინი განსაკუთრებით ეფექტური კატალიზატორია. პოლიურეთანის პლასტმასები წარმოიქმნება დიიზოციანატების პოლიოლებთან (პოლიალქოოლებთან) რეაქციით. როდესაც იზოციანატი რეაგირებს წყალთან, ადრე წარმოქმნილი ურეთანი იშლება და გამოიყოფა CO2. როდესაც პოლიალკოჰოლებისა და წყლის ნარევი ურთიერთქმედებს დიიზოციანატებთან, შედეგად მიღებული პოლიურეთანის ქაფი ქაფდება CO 2 გაზით.

ორმაგი მოქმედების კატალიზატორები.

ეს კატალიზატორები აჩქარებენ ორი ტიპის რეაქციას და აწარმოებენ უკეთეს შედეგს, ვიდრე რეაქტორების სერიით გადატანა ორ რეაქტორში, თითოეული შეიცავს მხოლოდ ერთი ტიპის კატალიზატორს. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ორმაგი მოქმედების კატალიზატორის აქტიური ადგილები ძალიან ახლოს არის ერთმანეთთან და ერთ-ერთ მათგანზე წარმოქმნილი შუალედური პროდუქტი მაშინვე გარდაიქმნება საბოლოო პროდუქტად მეორეზე.

კარგი შედეგი მიიღება კატალიზატორის შერწყმით, რომელიც ააქტიურებს წყალბადს კატალიზატორთან, რომელიც ხელს უწყობს ნახშირწყალბადების იზომერიზაციას. წყალბადის გააქტიურებას ახორციელებს ზოგიერთი ლითონი, ხოლო ნახშირწყალბადების იზომერიზაციას მჟავები. ეფექტური ორმაგი მოქმედების კატალიზატორი, რომელიც გამოიყენება ნავთობის გადამუშავებაში ნაფტას ბენზინად გადაქცევაში, არის წვრილად დაყოფილი პლატინა, რომელიც ეყრდნობა მჟავე ალუმინს. ნაფტას შემადგენელი კომპონენტების, როგორიცაა მეთილციკლოპენტანი (MCP) ბენზოლად გარდაქმნა ზრდის ბენზინის ოქტანურ რაოდენობას. პირველი, MCP დეჰიდროგენირებულია კატალიზატორის პლატინის ნაწილზე ოლეფინად იგივე ნახშირბადის ჩონჩხით; შემდეგ ოლეფინი გადადის კატალიზატორის მჟავე ნაწილში, სადაც იზომერირდება ციკლოჰექსენად. ეს უკანასკნელი გადადის პლატინის ნაწილზე და დეჰიდროგენდება ბენზოლად და წყალბადად.

ორმაგი მოქმედების კატალიზატორები მნიშვნელოვნად აჩქარებენ ნავთობის რეფორმირებას. ისინი გამოიყენება ნორმალური პარაფინების იზომერიზაციისთვის იზოპარაფინებად. ეს უკანასკნელი, რომელიც ადუღდება იმავე ტემპერატურაზე, როგორც ბენზინის ფრაქციები, ღირებულია, რადგან მათ აქვთ უფრო მაღალი ოქტანური რიცხვი სწორი ნახშირწყალბადებთან შედარებით. უფრო მეტიც, ტრანსფორმაცია ნ-ბუტანს იზობუტანამდე თან ახლავს დეჰიდროგენაცია, რაც ხელს უწყობს MTBE-ს გამომუშავებას.

სტერეოსპეციფიკური პოლიმერიზაცია.

კატალიზის ისტორიაში მნიშვნელოვანი ეტაპი იყო კატალიზური პოლიმერიზაციის აღმოჩენა ა-ოლეფინები სტერეორეგულარული პოლიმერების შესაქმნელად. სტერეოსპეციფიკური პოლიმერიზაციის კატალიზატორები აღმოაჩინა კ.ზიგლერმა, როდესაც ის ცდილობდა აეხსნა მის მიერ მიღებული პოლიმერების უჩვეულო თვისებები. კიდევ ერთი ქიმიკოსი, ჯ. ნატა, ვარაუდობს, რომ ზიგლერის პოლიმერების უნიკალურობა განისაზღვრება მათი სტერეორეგულარობა. რენტგენის დიფრაქციის ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ზიგლერის კატალიზატორების თანდასწრებით პროპილენისგან მომზადებული პოლიმერები ძალიან კრისტალურია და მართლაც აქვთ სტერეორეგულარული სტრუქტურა. ასეთი მოწესრიგებული სტრუქტურების აღსაწერად ნატამ შემოიტანა ტერმინები „იზოტაქტიკა“ და „სინდიოტაქტიკა“. იმ შემთხვევაში, როდესაც არ არის წესრიგი, გამოიყენება ტერმინი "ატაქტიკა":

სტერეოსპეციფიკური რეაქცია ხდება მყარი კატალიზატორების ზედაპირზე, რომლებიც შეიცავს IVA-VIII ჯგუფების გარდამავალ ლითონებს (როგორიცაა Ti, V, Cr, Zr), რომლებიც ნაწილობრივ დაჟანგულ მდგომარეობაშია, და ნახშირბადის ან წყალბადის შემცველი ნებისმიერი ნაერთი, რომელიც დაკავშირებულია. მეტალი I–III ჯგუფებიდან. ასეთი კატალიზატორის კლასიკური მაგალითია ნალექი, რომელიც წარმოიქმნება ჰეპტანში TiCl 4 და Al(C 2 H 5) 3 ურთიერთქმედებით, სადაც ტიტანი მცირდება სამვალენტიან მდგომარეობაში. ეს განსაკუთრებით აქტიური სისტემა ახდენს პროპილენის პოლიმერიზაციას ნორმალურ ტემპერატურასა და წნევაზე.

კატალიზური დაჟანგვა.

კატალიზატორების გამოყენებას ჟანგვის პროცესების ქიმიის გასაკონტროლებლად დიდი სამეცნიერო და პრაქტიკული მნიშვნელობა აქვს. ზოგიერთ შემთხვევაში, დაჟანგვა უნდა დასრულდეს, მაგალითად, ავტომობილების გამონაბოლქვი აირებში CO და ნახშირწყალბადების დამაბინძურებლების განეიტრალებისას. თუმცა, უფრო ხშირად საჭიროა, რომ დაჟანგვა იყოს არასრული, მაგალითად, ბევრ ფართოდ გამოყენებულ სამრეწველო პროცესში ნახშირწყალბადების გარდაქმნის ღირებულ შუალედურ პროდუქტებად, რომლებიც შეიცავს ფუნქციურ ჯგუფებს, როგორიცაა –CHO, –COOH, –C–CO, –CN. ამ შემთხვევაში გამოიყენება როგორც ერთგვაროვანი, ასევე ჰეტეროგენული კატალიზატორები. ჰომოგენური კატალიზატორის მაგალითია გარდამავალი ლითონის კომპლექსი, რომელიც გამოიყენება დაჟანგვისთვის წყვილი-ქსილენი ტერეფტალის მჟავამდე, რომლის ეთერები ემსახურება პოლიესტერის ბოჭკოების წარმოების საფუძველს.

კატალიზატორები ჰეტეროგენული დაჟანგვისთვის.

ეს კატალიზატორები, როგორც წესი, რთული მყარი ოქსიდებია. კატალიზური დაჟანგვა ხდება ორ ეტაპად. პირველ რიგში, ჟანგბადს ოქსიდში იჭერს ნახშირწყალბადის მოლეკულა, რომელიც ადსორბირებულია ოქსიდის ზედაპირზე. ამ შემთხვევაში ნახშირწყალბადი იჟანგება და ოქსიდი მცირდება. შემცირებული ოქსიდი რეაგირებს ჟანგბადთან და უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას. ვანადიუმის კატალიზატორის გამოყენებით ფთალიუმის ანჰიდრიდი მიიღება ნაფტალინის ან ბუტანის არასრული დაჟანგვით.

ეთილენის წარმოება მეთანის დეჰიდროდიმერიზაციით.

ეთილენის სინთეზი დეჰიდროდიმერიზაციის გზით საშუალებას იძლევა გარდაქმნას ბუნებრივი აირიუფრო ადვილად ტრანსპორტირებად ნახშირწყალბადებში. რეაქცია 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O ტარდება 850 ° C ტემპერატურაზე სხვადასხვა კატალიზატორების გამოყენებით; საუკეთესო შედეგები მიიღეს Li-MgO კატალიზატორით. სავარაუდოდ რეაქცია მიმდინარეობს მეთილის რადიკალის წარმოქმნით მეთანის მოლეკულიდან წყალბადის ატომის აბსტრაქციის გზით. ელიმინაცია ხორციელდება არასრულად შემცირებული ჟანგბადით, მაგალითად O 2 2–. მეთილის რადიკალები აირის ფაზაში რეკომბინირებულია და წარმოქმნის ეთანის მოლეკულას და, შემდგომი დეჰიდროგენაციის დროს, გარდაიქმნება ეთილენად. არასრული დაჟანგვის კიდევ ერთი მაგალითია მეთანოლის ფორმალდეჰიდად გადაქცევა ვერცხლის ან რკინა-მოლიბდენის კატალიზატორის თანდასწრებით.

ცეოლიტები.

ცეოლიტები შეადგენენ ჰეტეროგენული კატალიზატორების სპეციალურ კლასს. ეს არის ალუმინოსილიკატები მოწესრიგებული თაფლისებრი სტრუქტურით, რომელთა უჯრედის ზომა შედარებულია მრავალი ორგანული მოლეკულის ზომასთან. მათ ასევე უწოდებენ მოლეკულურ საცერებს. ყველაზე დიდი ინტერესია ცეოლიტები, რომელთა ფორებს ქმნიან 8-12 ჟანგბადის იონისგან შემდგარი რგოლები (ნახ. 2). ზოგჯერ ფორები ერთმანეთს ემთხვევა, როგორც ZSM-5 ცეოლითში (ნახ. 3), რომელიც გამოიყენება მეთანოლის ბენზინის ფრაქციის ნახშირწყალბადებად გადაქცევისთვის. ბენზინი შეიცავს მნიშვნელოვანი რაოდენობით არომატულ ნახშირწყალბადებს და, შესაბამისად, აქვს მაღალი ოქტანური რიცხვი. მაგალითად, ახალ ზელანდიაში მოხმარებული ბენზინის მესამედი იწარმოება ამ ტექნოლოგიის გამოყენებით. მეთანოლი იწარმოება იმპორტირებული მეთანისგან.

კატალიზატორები, რომლებიც ქმნიან Y-ცეოლიტების ჯგუფს, მნიშვნელოვნად ზრდის კატალიზური კრეკინგის ეფექტურობას, ძირითადად მათი უჩვეულო მჟავე თვისებების გამო. ალუმინსილიკატების ცეოლითებით ჩანაცვლება შესაძლებელს ხდის ბენზინის მოსავლიანობის გაზრდას 20%-ზე მეტით.

გარდა ამისა, ცეოლითებს აქვთ სელექციურობა რეაგირების მოლეკულების ზომასთან დაკავშირებით. მათი სელექციურობა განისაზღვრება ფორების ზომით, რომლებშიც მხოლოდ გარკვეული ზომისა და ფორმის მოლეკულები შეიძლება გაიარონ. ეს ეხება როგორც საწყის მასალებს, ასევე რეაქციის პროდუქტებს. მაგალითად, სტერილური შეზღუდვების გამო წყვილი- ქსილენი უფრო ადვილად წარმოიქმნება, ვიდრე ნაყარი ორთო- და მეტა- იზომერები. ეს უკანასკნელნი ცეოლითის ფორებში „ჩაკეტილნი“ აღმოჩნდებიან (სურ. 4).

ცეოლიტების გამოყენებამ ნამდვილი რევოლუცია მოახდინა ზოგიერთ სამრეწველო ტექნოლოგიაში - გაზის ზეთის და ძრავის ზეთის დეცოფაცია, ქიმიური შუალედური ნივთიერებების მიღება პლასტმასის წარმოებისთვის არომატული ნაერთების ალკილაციით, ქსილენის იზომერიზაციით, ტოლუოლის დისპროპორციულობით და ზეთის კატალიზური კრეკით. აქ განსაკუთრებით ეფექტურია ZSM-5 ცეოლიტი.

კატალიზატორები და გარემოს დაცვა.

ჰაერის დაბინძურების შესამცირებლად კატალიზატორების გამოყენება 1940-იანი წლების ბოლოს დაიწყო. 1952 წელს ა.ჰაგენ-სმიტმა აღმოაჩინა, რომ გამონაბოლქვი აირებში შემავალი ნახშირწყალბადები და აზოტის ოქსიდები რეაგირებენ სინათლეში და წარმოქმნიან ოქსიდანტებს (კერძოდ, ოზონს), რომლებიც აღიზიანებს თვალებს და იწვევს სხვა არასასურველ ეფექტებს. დაახლოებით ამავე დროს, ი. ხუდრიმ შეიმუშავა გამონაბოლქვი აირების კატალიზური გაწმენდის მეთოდი CO2 და ნახშირწყალბადების დაჟანგვით CO 2 და H 2 O. 1970 წელს ჩამოყალიბდა სუფთა ჰაერის დეკლარაცია (დახვეწა 1977 წელს, გაფართოვდა 1990 წელს), შესაბამისად. რისთვისაც ყველა ახალი მანქანა, დაწყებული 1975 წლის მოდელებით, აღჭურვილი უნდა იყოს კატალიზური გამონაბოლქვით. შეიქმნა გამონაბოლქვი აირების შემადგენლობის სტანდარტები. იმის გამო, რომ ბენზინის შხამის კატალიზატორებს ემატება ტყვიის ნაერთები, მიღებულია ეტაპობრივი პროგრამა. ყურადღება გამახვილდა აზოტის ოქსიდების შემცველობის შემცირების აუცილებლობაზეც.

კატალიზატორები შეიქმნა სპეციალურად საავტომობილო ნეიტრალიზატორებისთვის, რომლებშიც აქტიური კომპონენტები გამოიყენება თაფლისებრი სტრუქტურის მქონე კერამიკულ სუბსტრატზე, რომლის უჯრედებშიც გადის გამონაბოლქვი აირები. სუბსტრატი დაფარულია ლითონის ოქსიდის თხელი ფენით, მაგალითად Al 2 O 3, რომელზედაც გამოიყენება კატალიზატორი - პლატინი, პალადიუმი ან როდიუმი. თბოელექტროსადგურებში ბუნებრივი საწვავის წვის დროს წარმოქმნილი აზოტის ოქსიდების შემცველობა შეიძლება შემცირდეს გრიპის აირებში მცირე რაოდენობით ამიაკის დამატებით და ტიტანის ვანადიუმის კატალიზატორის გავლით.

ფერმენტები.

ფერმენტები არის ბუნებრივი კატალიზატორები, რომლებიც არეგულირებენ ბიოქიმიურ პროცესებს ცოცხალ უჯრედში. ისინი მონაწილეობენ ენერგიის გაცვლის პროცესებში, საკვები ნივთიერებების დაშლაში და ბიოსინთეზის რეაქციებში. მათ გარეშე, მრავალი რთული ორგანული რეაქცია არ შეიძლება მოხდეს. ფერმენტები ფუნქციონირებენ ჩვეულებრივ ტემპერატურასა და წნევაზე, აქვთ ძალიან მაღალი სელექციურობა და შეუძლიათ რეაქციის სიჩქარის გაზრდა რვა რიგით სიდიდით. მიუხედავად ამ უპირატესობებისა, მხოლოდ დაახლ. 15000 ცნობილი ფერმენტიდან 20 გამოიყენება ფართო მასშტაბით.

ადამიანი ათასობით წლის განმავლობაში იყენებდა ფერმენტებს პურის გამოსაცხობად, ალკოჰოლური სასმელების, ყველისა და ძმრის დასამზადებლად. ახლა ფერმენტები გამოიყენება მრეწველობაშიც: შაქრის გადამუშავებაში, სინთეზური ანტიბიოტიკების, ამინომჟავების და ცილების წარმოებაში. სარეცხ საშუალებებს ემატება პროტეოლიზური ფერმენტები, რომლებიც აჩქარებენ ჰიდროლიზის პროცესებს.

ბაქტერიების დახმარებით Clostridium acetobutylicumჰ.ვაიზმანმა ჩაატარა სახამებლის ფერმენტული გარდაქმნა აცეტონად და ბუტილ სპირტად. აცეტონის წარმოების ეს მეთოდი ფართოდ გამოიყენებოდა ინგლისში პირველი მსოფლიო ომის დროს, ხოლო მეორე მსოფლიო ომის დროს სსრკ-ში ბუტადიენური რეზინის წარმოებისთვის.

უაღრესად მნიშვნელოვანი როლი ითამაშა მიკროორგანიზმების მიერ წარმოებული ფერმენტების გამოყენებამ პენიცილინის სინთეზისთვის, ასევე სტრეპტომიცინისა და ვიტამინი B 12.

ეთილის სპირტი, რომელიც წარმოიქმნება ფერმენტული პროცესებით, ფართოდ გამოიყენება საავტომობილო საწვავად. ბრაზილიაში დაახლოებით 10 მილიონი მანქანის მესამედზე მეტი მუშაობს შაქრის ლერწმისგან მიღებულ ეთილის სპირტზე 96%, ხოლო დანარჩენი ბენზინისა და ეთილის სპირტის ნარევით მუშაობს (20%). საწვავის წარმოების ტექნოლოგია, რომელიც არის ბენზინისა და ალკოჰოლის ნარევი, კარგად არის განვითარებული შეერთებულ შტატებში. 1987 წელს დაახლ. 4 მილიარდი ლიტრი ალკოჰოლი, საიდანაც დაახლოებით 3,2 მილიარდი ლიტრი საწვავად იქნა გამოყენებული. ასევე პოულობენ სხვადასხვა აპლიკაციებს ე.წ. იმობილიზებული ფერმენტები. ეს ფერმენტები დაკავშირებულია მყარ საყრდენთან, როგორიცაა სილიკა გელი, რომელზედაც გადადის რეაგენტები. ამ მეთოდის უპირატესობა ის არის, რომ უზრუნველყოფს სუბსტრატების ეფექტურ კონტაქტს ფერმენტთან, პროდუქტების გამოყოფას და ფერმენტის შენარჩუნებას. იმობილიზებული ფერმენტების სამრეწველო გამოყენების ერთ-ერთი მაგალითია D-გლუკოზის იზომერიზაცია ფრუქტოზამდე.

ტექნოლოგიური ასპექტები

თანამედროვე ტექნოლოგიები წარმოუდგენელია კატალიზატორების გამოყენების გარეშე. კატალიზური რეაქციები შეიძლება მოხდეს 650°C-მდე ტემპერატურაზე და 100 ატმ ან მეტ წნევაზე. ეს აიძულებს ახალი გადაწყვეტილებების მიღებას პრობლემების შესახებ, რომლებიც დაკავშირებულია აირისებრ და მყარ ნივთიერებებს შორის კონტაქტთან და კატალიზატორის ნაწილაკების გადაცემასთან. იმისათვის, რომ პროცესი ეფექტური იყოს, მისმა მოდელირებამ უნდა გაითვალისწინოს კინეტიკური, თერმოდინამიკური და ჰიდროდინამიკური ასპექტები. აქ ფართოდ გამოიყენება კომპიუტერული მოდელირება, ასევე ახალი ინსტრუმენტები და მეთოდები ტექნოლოგიური პროცესების მონიტორინგისთვის.

1960 წელს მნიშვნელოვანი პროგრესი იქნა მიღწეული ამიაკის წარმოებაში. უფრო აქტიური კატალიზატორის გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა წყალბადის წარმოების ტემპერატურის შემცირება წყლის ორთქლის დაშლის დროს, რამაც შესაძლებელი გახადა წნევის შემცირება და, შესაბამისად, წარმოების ხარჯების შემცირება, მაგალითად, იაფი ცენტრიდანული კომპრესორების გამოყენებით. . შედეგად, ამიაკის ღირებულება ნახევარზე მეტით დაეცა, იყო მისი წარმოების კოლოსალური ზრდა და ამასთან დაკავშირებით, გაიზარდა საკვების წარმოება, რადგან ამიაკი ღირებული სასუქია.

მეთოდები.

კატალიზის სფეროში კვლევები ტარდება როგორც ტრადიციული, ისე სპეციალური მეთოდებით. გამოიყენება რადიოაქტიური ტრასერები, რენტგენის, ინფრაწითელი და რამანის (რამანის) სპექტროსკოპია, ელექტრონული მიკროსკოპული მეთოდები; ტარდება კინეტიკური გაზომვები, შესწავლილია კატალიზატორების მომზადების მეთოდების გავლენა მათ აქტივობაზე. დიდი მნიშვნელობააქვს კატალიზატორის ზედაპირის ფართობის განსაზღვრა ბრუნაუერ–ემეტ–ტელერის მეთოდით (BET მეთოდი), რომელიც ეფუძნება აზოტის ფიზიკური ადსორბციის გაზომვას სხვადასხვა წნევაზე. ამისათვის დაადგინეთ აზოტის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა კატალიზატორის ზედაპირზე მონოფენის შესაქმნელად და N 2 მოლეკულის დიამეტრის ცოდნით, გამოთვალეთ მთლიანი ფართობი. მთლიანი ზედაპირის ფართობის განსაზღვრის გარდა, ტარდება სხვადასხვა მოლეკულების ქიმისორბცია, რაც შესაძლებელს ხდის აქტიური ცენტრების რაოდენობის შეფასებას და მათი თვისებების შესახებ ინფორმაციის მოპოვებას.

მკვლევარებს ხელთ აქვთ სხვადასხვა მეთოდი კატალიზატორების ზედაპირული სტრუქტურის შესასწავლად ატომურ დონეზე. EXAFS მეთოდი საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ უნიკალური ინფორმაცია. სპექტროსკოპიულ მეთოდებს შორის სულ უფრო ხშირად გამოიყენება UV, X-ray და Auger ფოტოელექტრონული სპექტროსკოპია. მეორადი იონის მასის სპექტრომეტრია და იონების გაფანტვის სპექტროსკოპია დიდ ინტერესს იწვევს. NMR გაზომვები გამოიყენება კატალიზური კომპლექსების ბუნების შესასწავლად. სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი საშუალებას გაძლევთ ნახოთ ატომების განლაგება კატალიზატორის ზედაპირზე.

პერსპექტივები

მრეწველობაში კატალიზური პროცესების მასშტაბები ყოველწლიურად იზრდება. კატალიზატორები სულ უფრო ხშირად გამოიყენება დამაბინძურებლების გასანეიტრალებლად. გარემო. იზრდება კატალიზატორების როლი ნახშირწყალბადების და ჟანგბადის შემცველი სინთეზური საწვავის წარმოებაში გაზისა და ნახშირისგან. საწვავის უჯრედების შექმნა საწვავის ენერგიის ელექტროენერგიად ეკონომიური გადაქცევისთვის, როგორც ჩანს, ძალიან პერსპექტიულია.

ახალი კატალიზის კონცეფციები შესაძლებელს გახდის მოპოვებას პოლიმერული მასალებიდა მრავალი ღირებული თვისების მქონე სხვა პროდუქტები, აუმჯობესებს ენერგიის მოპოვების მეთოდებს, ზრდის საკვების წარმოებას, კერძოდ, მიკროორგანიზმების დახმარებით ალკანებისა და ამიაკის ცილების სინთეზით. შესაძლოა შესაძლებელი იყოს გენეტიკურად ინჟინერიული მეთოდების შემუშავება ფერმენტების და ორგანული მეტალის ნაერთების წარმოებისთვის, რომლებიც უახლოვდებიან ბუნებრივ ბიოლოგიურ კატალიზატორებს მათი კატალიზური აქტივობითა და სელექციურობით.

ლიტერატურა:

გეითსი B.K. კატალიზური პროცესების ქიმია. მ., 1981 წ
ბორესკოვი გ.კ. კატალიზი. თეორიისა და პრაქტიკის კითხვები. ნოვოსიბირსკი, 1987 წ
განკინ V.Yu., Gankin Yu.V. კატალიზის ახალი ზოგადი თეორია. ლ., 1991 წ
ტოკაბე კ. კატალიზატორები და კატალიზური პროცესები. მ., 1993 წ

კატალიზი მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ერთ-ერთი ყველაზე დინამიურად და სწრაფად განვითარებადი სფეროა. მუდმივად ვითარდება ახალი კატალიზური სისტემები და იხვეწება არსებული, შემოთავაზებულია ახალი კატალიზური პროცესები, იცვლება მათი აპარატურის დიზაინი, იხვეწება და ჩნდება კატალიზატორების შესწავლის ახალი ფიზიკური და ქიმიური მეთოდები. ნავთობქიმიურ და ნავთობგადამამუშავებელ საწარმოებში ჩართული ქიმიური პროცესების უმეტესობა კატალიზურია. კატალიზური და კატალიზური ტექნოლოგიების განვითარება დიდწილად განსაზღვრავს ნავთობქიმიური პროდუქტების კონკურენტუნარიანობას ბაზარზე. აქედან გამომდინარე, ჩნდება გადაუდებელი კითხვა ნავთობქიმიური მრეწველობისთვის კატალიზის დარგში მაღალკვალიფიციური სპეციალისტების მომზადების აუცილებლობის შესახებ.

კატალიზი სპეციფიკური ფენომენია. არ არსებობს ნივთიერებები, რომლებსაც აქვთ კატალიზური თვისებები მათი ზოგადი ფორმით. თითოეულმა რეაქციამ უნდა გამოიყენოს თავისი სპეციფიკური კატალიზატორი.

კატალიზის გამოყენება ქიმიურ მრეწველობაში. კატალიზური პროცესები გამოიყენება წყალბადის წარმოებისთვის, რომელიც ემსახურება როგორც ნედლეულს ამიაკის და მრავალი სხვა ქიმიური ტექნოლოგიური წარმოების სინთეზისთვის. მეთანის გარდაქმნა.წყალბადის ყველაზე იაფი წყარო ბუნებრივი აირია. წყალბადის წარმოების პირველი ეტაპი მოიცავს მეთანის ურთიერთქმედებას წყლის ორთქლთან ჟანგბადის ან ჰაერის ნაწილობრივი დამატებით 800 – 1000°C ტემპერატურაზე (რეაქცია 2.1). თბოგამძლე ალუმინის ოქსიდის საყრდენებზე (კორუნდი - a-Al 2 O 3) დეპონირებული ნიკელი გამოიყენება კატალიზატორად.

CH 4 + H 2 O ⇄ 3H 2 + CO (2.1)

CO + H 2 O ⇄ CO 2 + H 2 (2.2)

ამ რეაქციის შედეგად წყალბადთან ერთად მნიშვნელოვანი რაოდენობით წარმოიქმნება ნახშირბადის მონოქსიდი.

CO კონვერტაცია.ნახშირბადის მონოქსიდის ურთიერთქმედება წყლის ორთქლთან კლებისას ორ ეტაპად მიმდინარეობს ტემპერატურის პირობებიოქსიდის კატალიზატორების გამოყენებით (რეაქცია 2.2), რომელიც დამატებით გამოიმუშავებს წყალბადს. პირველ ეტაპზე გამოყენებული იქნა საშუალო ტემპერატურის (435-475°C) რკინა-ქრომის კატალიზატორი (Fe 3 O 4 Cr 2 O 3 დანამატებით); მეორეზე - დაბალი ტემპერატურის (230-280°C) კატალიზატორი (ალუმინის, სპილენძის, ქრომის და თუთიის ოქსიდების ნარევი). ნახშირბადის მონოქსიდის საბოლოო შემცველობა, რომლის არსებობა მკვეთრად ამცირებს რკინის კატალიზატორების აქტივობას ამიაკის სინთეზისთვის, შეიძლება შემცირდეს პროცენტის მეათედამდე.

ნარჩენი CO-ს მოსაშორებლად საჭირო იყო გაზის ნარევის კომპლექსური რეცხვა Cu 2 O ამიაკის ხსნარით მაღალი წნევის 120-320 ატმ და დაბალ ტემპერატურაზე 5-20°C.

პრაქტიკაში სამრეწველო წარმოება CO-დან გაზის გამონაბოლქვის გაწმენდა ხორციელდება კუ-ამონიუმის მარილების (სპილენძის ფორმატები და კარბონატები) ხსნარების შთანთქმის მეთოდით, რომლებსაც აქვთ CO-სთან რთული ნაერთების წარმოქმნის უნარი. ვინაიდან ფორმატები არ არის ძალიან სტაბილური, უპირატესობა ენიჭება კარბონატულ ხსნარებს.

საწყის კარბონატ-ამონიუმის სპილენძის კომპლექსს აქვს შემდეგი შემადგენლობა (კმოლ/მ3): Cu + - 1,0 – 1,4; Cu 2+ - 0,08 – 0,12; NH 3 - 4.0 - 6.0; CO 2 – 2.4 – 2.6.

მონივალენტურ სპილენძის მარილებს აქვთ CO-ს შთანთქმის უნარი. Cu 2+ კათიონები, როგორც წესი, არ მონაწილეობენ შეწოვაში. თუმცა, აუცილებელია Cu 2+ კონცენტრაციის შენარჩუნება მინიმუმ 10 ვტ ხსნარში. Cu + შემცველობის %. ეს უკანასკნელი ხელს უშლის ელემენტარული სპილენძის საბადოების წარმოქმნას, რამაც შეიძლება დაბლოკოს მილსადენები და შეაფერხოს შთანთქმის მუშაობა. ხსნარში სპილენძის კარბონატ-ამიაკის კომპლექსის Cu 2+ არსებობა ცვლის რეაქციის (1) წონასწორობას Cu +-ის წარმოქმნისკენ: Cu 2+ + Cu ⇄ 2 Cu + (1)

CO აბსორბციისთვის გამოყენებული სპილენძის კარბონატ-ამიაკის კომპლექსის ხსნარი შეიცავს 2 CO 3-ს; CO 3; (NH 4) 2 CO 3; უფასო NH 3 და CO 2.

სპილენძის კარბონატ-ამონიუმის კომპლექსით CO-ს შეწოვის პროცესი მიმდინარეობს რეაქციის მიხედვით: + + CO + NH 3 ⇄ + - DH (2)

CO2-თან ერთად, CO2 ასევე შეიწოვება განტოლების მიხედვით:

2 NH 3 + H 2 O + CO 2 ⇄ (NH 4) 2 CO 3 - DH 1 (3)

მეთანაცია.ახალი აქტიური ნიკელის კატალიზატორის შემუშავებასთან დაკავშირებით, რთული სარეცხი ოპერაცია შეიძლება შეიცვალოს 250-350°C ტემპერატურაზე ნახშირბადის მონოქსიდის ნარჩენების მეთანად გადაქცევის უფრო მარტივი პროცესით, ინერტული ამიაკის სინთეზის კატალიზატორისთვის (რეაქცია 2.3):

CO + 3H 2 ⇄ CH 4 + H 2 O (2.3)

ამრიგად, უფრო აქტიური კატალიზატორის შემუშავებამ შესაძლებელი გახადა ტექნოლოგიური სქემის მნიშვნელოვნად გამარტივება და ამიაკის წარმოების ეფექტურობის გაზრდა.

კატალიზის გამოყენება ნავთობგადამამუშავებელ ინდუსტრიაში. კატალიზის გამოყენების ეფექტურობა იმდენად მნიშვნელოვანი აღმოჩნდა, რომ რამდენიმე წელიწადში მოხდა ნამდვილი ტექნიკური რევოლუცია ნავთობგადამამუშავებელ ინდუსტრიაში, რამაც კატალიზატორების გამოყენებაზე დაყრდნობით შესაძლებელი გახადა მკვეთრად გაზრდილიყო როგორც მოსავლიანობა, ისე სარგებელი. მიღებული საავტომობილო საწვავის ხარისხი.

ამჟამად ნავთობის 80%-ზე მეტი მუშავდება კატალიზური პროცესების გამოყენებით: კრეკინგი, რეფორმირება, ნახშირწყალბადების იზომერიზაცია და ჰიდროგენიზაცია, გოგირდის შემცველი ნაერთებისგან ნავთობის ფრაქციების ჰიდროგამამუშავებელი, ჰიდროკრეკინგი. ცხრილი 2.1 აჩვენებს ყველაზე მნიშვნელოვან თანამედროვე კატალიზურ პროცესებს ნავთობის გადამუშავებაში.

ბზარი.ზეთის ან მისი ფრაქციების კატალიზური კრეკინგი არის დესტრუქციული პროცესი, რომელიც ტარდება 490-540°C ტემპერატურაზე მჟავე ბუნების სინთეზურ და ბუნებრივ ალუმოსილიკატურ კატალიზატორებზე, მაღალი ხარისხის ბენზინის წარმოებისთვის ოქტანური რიცხვით 98-92, მნიშვნელოვანი. გაჯერებული და უჯერი ნახშირწყალბადების C 3 - C 4 შემცველი აირების რაოდენობა, ნავთი-გაზის ნავთობის ფრაქციები, ნახშირბადის შავი და კოქსი.

ოქტანური რიცხვი (O.N.) არის მსუბუქი (ბენზინი, ნავთი) საავტომობილო საწვავის დეტონაციის წინააღმდეგობის ჩვეულებრივი მაჩვენებელი კარბურატორ ძრავებში დაწვისას. საცნობარო საწვავი არის იზოოქტანი (U.N. = 100), ნორმალური ჰეპტანი (U.N. =0). ბენზინის ოქტანური რიცხვი არის იზოოქტანის პროცენტი (მოცულობით) მის ნარევში n-ჰეპტანთან, რომელიც სტანდარტული ტესტირების პირობებში სპეციალურ ერთცილინდრიან ძრავზე აფეთქდება ისევე, როგორც შესამოწმებელი ბენზინი.

ბოლო წლებში კრისტალურ სინთეტიკურ ცეოლიტებზე დაფუძნებულმა კატალიზატორებმა ფართო ინდუსტრიული გამოყენება მიიღეს. ამ კატალიზატორების აქტივობა, განსაკუთრებით ის, ვინც შეიცავს იშვიათი დედამიწის ელემენტების ოქსიდების ნარევს (CeO 2, La 2 O 3, Ho 2 O 3, Dy 2 O 3 და სხვა), მნიშვნელოვნად აღემატება ამორფული ალუმოსილიკატური კატალიზატორების აქტივობას.

კატალიზატორების გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა არა მხოლოდ ნაფთენებისგან დაბალი მოლეკულური წონის ნახშირწყალბადების წარმოქმნის სიჩქარის გაზრდა 500-4000-ჯერ, არამედ გაზარდა ღირებული ფრაქციების მოსავლიანობა თერმული კრეკინგთან შედარებით.

კატალიზური კრეკინგი არის ყველაზე მაღალი ტონაჟის სამრეწველო კატალიზური პროცესი. მისი დახმარებით, ამჟამად წელიწადში 300 მილიონ ტონაზე მეტი ნავთობის გადამუშავება ხდება, რაც მოითხოვს დაახლოებით 300 ათასი ტონა კატალიზატორის წლიურ მოხმარებას.

რეფორმირება.კატალიზური რეფორმირება ტარდება 470-520°C ტემპერატურაზე და 0,8-1,5 მპა წნევაზე Pt, ხელახალი კატალიზატორები, რომლებიც მხარს უჭერენ წყალბადის ქლორიდით დამუშავებულ ალუმინის ოქსიდს მჟავე თვისებების გასაზრდელად. რეფორმირება არის ნავთობპროდუქტების გადამუშავების მეთოდი, ძირითადად ბენზინი და ნავთობის ნაფთა ფრაქციები (C 6-C 9 ნახშირწყალბადები სამი ძირითადი კლასის: პარაფინი, ნაფთენური და არომატული) მაღალი ოქტანის საავტომობილო ბენზინის, არომატული ნახშირწყალბადების (ბენზოლი, ტოლუოლი) მისაღებად. , ქსილენი, ეთილბენზოლი) და ტექნიკური წყალბადი. რეფორმირების პროცესში ხდება რეაქციები: ნაფთენების დეჰიდროგენიზაცია არომატულ ნახშირწყალბადებად, პარაფინების და ოლეფინების ციკლიზაცია და ხუთწევრიანი ციკლური ნახშირწყალბადების იზომერიზაცია ექვსწევრიანებად. ამჟამად კატალიზური რეფორმირება გამოიყენება წელიწადში 200 მილიონ ტონაზე მეტი ნავთობის დასამუშავებლად. მისმა გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა არა მხოლოდ საავტომობილო საწვავის ხარისხის გაუმჯობესება, არამედ მნიშვნელოვანი რაოდენობით არომატული ნახშირწყალბადების წარმოება ქიმიური მრეწველობისთვის. კატალიზური რეფორმირების ქვეპროდუქტებია საწვავი გაზი, რომელიც შედგება ძირითადად მეთანისა და ეთანისგან, აგრეთვე თხევადი აირის - პროპან-ბუტანის ფრაქციისგან.

ნავთობპროდუქტების ჰიდრო დამუშავება.წყალბადი კატალიზური რეფორმირების ღირებული პროდუქტია. იაფი წყალბადის გამოჩენამ შესაძლებელი გახადა ფართოდ გამოეყენებინა ნავთობპროდუქტების კატალიზური ჰიდრო დამუშავება გოგირდის, აზოტის და ჟანგბადის შემცველი ნაერთებისგან, შესაბამისად ადვილად მოსახსნელი H 2 S, NH 3 და H 2 O წარმოქმნით (რეაქცია 2.4 - 2.7):

CS 2 + 4H 2 ⇄ 2H 2 S + CH 4 (2.4)

RSH + H 2 ⇄ H 2 S + RH (2.5)

COS + 4H 2 ⇄ H 2 S + CH 4 + H 2 O (2.6)

RNH + 3/2H 2 ⇄ NH 3 + RH (2.7)

ამავდროულად, ხდება დიენების ჰიდროგენიზაცია, რაც ზრდის პროდუქტის სტაბილურობას. ამ მიზნით, ყველაზე ფართოდ გამოიყენება კატალიზატორები, რომლებიც მზადდება კობალტის ოქსიდებისგან (2-5 wt.%) და მოლიბდენის (10-19 wt.%) ან ნიკელის და მოლიბდენის ოქსიდებისგან, რომლებიც დაფუძნებულია γ-ალუმინაზე.

ჰიდრო დამუშავება შესაძლებელს ხდის წელიწადში 250-300 ათას ტონამდე ელემენტარული გოგირდის მიღებას. ამისათვის განახორციელეთ Claus პროცესი:

2H 2 S + 3O 2 ⇄ 2SO 2 + 2H 2 O (2.8)

2H 2 S + SO 2 ⇄ 3S + 2H 2 O (2.9)

H 2 S-ის ნაწილი იჟანგება ატმოსფერული ჟანგბადით γ-Al 2 O 3-მდე 200-250°C (რეაქცია 2.8); H 2 S-ის მეორე ნაწილი რეაგირებს გოგირდის დიოქსიდთან გოგირდის წარმოქმნით (რეაქცია 2.9).

ჰიდრო დამუშავების პირობები დამოკიდებულია გასაწმენდი ნედლეულის თვისებებზე, მაგრამ ყველაზე ხშირად 330-410°C და 3-5 მპა-ის ფარგლებშია. დაახლოებით 300 მილიონი ტონა ნავთობპროდუქტი (ბენზინი და ნავთის ფრაქციები, დიზელის საწვავი, ვაკუუმ დისტილატები, პარაფინები და ზეთები) ყოველწლიურად ექვემდებარება ჰიდროგადამუშავებას. ნავთობის გადამუშავებაში ჰიდროგადამუშავების ეტაპის განხორციელებამ შესაძლებელი გახადა ნედლეულის მომზადება კატალიზური რეფორმირებისთვის (ბენზინი) და კრეკინგისთვის (ვაკუუმური დისტილატები), დაბალ გოგირდის განათების ნავთის და საწვავის მიღება, პროდუქციის ხარისხის გაუმჯობესება (პარაფინები და ზეთები) და ასევე აქვს მნიშვნელოვანი გარემოსდაცვითი ეფექტი, რადგან ჰაერის დაბინძურება გამონაბოლქვის გამონაბოლქვიდან მცირდება გაზების რაოდენობა საავტომობილო საწვავის წვის დროს.ჰიდროპროდუცირების დანერგვამ შესაძლებელი გახადა გოგირდის მაღალი შემცველობის ზეთების გამოყენება ნავთობპროდუქტების მისაღებად.

ჰიდროკრეკინგი.ბოლო დროს მნიშვნელოვანი განვითარება განიცადა ჰიდროკრეკინგის პროცესმა, რომლის დროსაც კრეკინგი, იზომერიზაცია და ჰიდროგამამუშავებელი რეაქციები ერთდროულად მიმდინარეობს. ჰიდროკრეკინგი არის სხვადასხვა ფრაქციული შემადგენლობის ნედლეულის ღრმა კონვერტაციის კატალიზური პროცესი წყალბადის თანდასწრებით მსუბუქი ნავთობპროდუქტების მისაღებად: ბენზინი, თვითმფრინავი და დიზელის საწვავი, თხევადი აირები C 3-C 4.მრავალფუნქციური კატალიზატორების გამოყენება ამ პროცესის განხორციელების საშუალებას იძლევა 400-450°C ტემპერატურაზე, წნევა დაახლოებით 5-15 მპა. გამოყენებული კატალიზატორებია ვოლფრამის სულფიდი, შერეული ვოლფრამი-ნიკელის სულფიდის კატალიზატორები საყრდენებზე, კობალტ-მოლიბდენის კატალიზატორები ალუმინის ოქსიდზე, Ni, Pt, Pd და სხვა ლითონების დამატებით ამორფულ ან კრისტალურ ცეოლიტებზე.

ცხრილი 2.1 - თანამედროვე კატალიზური ნავთობის გადამუშავების პროცესები

იზომერიზაცია.ხარისხის გასაუმჯობესებლად ბენზინს ემატება 10-15 wt.% იზომერატი მაღალი ოქტანური რიცხვით. იზომერისატი არის ნაჯერი ალიფატური (მოლეკულებში რგოლები არ არის) ნახშირწყალბადების ნაზავი (65 wt.% 2-მეთილბუტანზე მეტი; იზოჰექსანები), მიღებული ალკანების (ნორმალური გაჯერებული პარაფინების) იზომერიზაციით. იზომერიზაციის ნედლეული არის ნავთობის პირდაპირი დისტილაციის მსუბუქი ბენზინის ფრაქცია, რომელიც დუღს 62-85°C დიაპაზონში და შეიცავს ძირითადად პენტანს და ჰექსანს, აგრეთვე კატალიზური კრეკინგით მიღებულ ფრაქციას (75-150°C). კატალიზური იზომერიზაციის პროცესები ხდება ორფუნქციური კატალიზატორების თანდასწრებით: პლატინის ან პალადიუმის სხვადასხვა მჟავე საყრდენებზე (γ-Al 2 O 3, ცეოლიტი), რომლებიც ხელს უწყობს ჰალოგენს (Cl, F). იზომერიზაცია არის ორგანული ნივთიერებების გარდაქმნა სხვადასხვა სტრუქტურის ნაერთებად (სტრუქტურული იზომერიზმი) ან სივრცეში ატომების ან ჯგუფების განსხვავებული განლაგებით (სივრცითი იზომერიზმი) შემადგენლობისა და მოლეკულური წონის შეცვლის გარეშე.

ამრიგად, კატალიზური პროცესები წამყვან ადგილს იკავებს ნავთობის გადამუშავებაში. კატალიზის წყალობით ნავთობიდან მიღებული პროდუქტების ღირებულება რამდენჯერმე გაიზარდა.

ნავთობის გადამუშავებაში კატალიზური მეთოდების უფრო პერსპექტიული შესაძლებლობა არის თანდაყოლილი მიტოვება თანამედროვე პროცესებიზეთებში ნაპოვნი ყველა რთული ნაერთის გლობალური ტრანსფორმაცია. ამრიგად, გოგირდის ყველა ნაერთი გადის ჰიდროგენოლიზს წყალბადის სულფიდის გამოყოფით. იმავდროულად, ბევრ მათგანს აქვს მნიშვნელოვანი დამოუკიდებელი ღირებულება. იგივე ეხება აზოტის შემცველ, მეტალოკომპლექსს და ბევრ სხვა ნაერთს. ძალიან მნიშვნელოვანი იქნებოდა ამ ნივთიერებების იზოლირება ან მათი ინდივიდუალური კატალიზური ტრანსფორმაციები ღირებული პროდუქტების მისაღებად. ამის მაგალითია გოგირდის შემცველი ექსტრაქტორების წარმოება, როგორიცაა სულფოქსიდები და სულფონები, რომლებიც წარმოიქმნება ნავთობისა და ქვაბის საწვავში შემავალი გოგირდის ნაერთების კატალიზური დაჟანგვის დროს. ეჭვგარეშეა, რომ ამ გზით კატალიზი მნიშვნელოვნად გაზრდის ნავთობის გადამუშავების ეფექტურობას.