Llojet e katalizatorëve, qëllimi i tyre dhe metodat e prodhimit. Kataliza

Kompania AUTOKAT RECYCLE ofron mundësinë që kompanitë dhe individët të shesin këto pjesë që kanë shteruar jetëgjatësinë e tyre të shërbimit për koston maksimale në kohën më të shkurtër të mundshme. Kjo zgjidhje kontribuon në përfitimin e klientëve dhe kontribuon në dhënien e një kontributi të mundshëm në ruajtjen e mjedisit.

Shitjet e katalizatorëve industrialë

– një zgjidhje e shkëlqyer që ju lejon të fitoni një shumë të mirë parash dhe ta dërgoni pjesën për përpunim "të duhur". AUTOKAT RECYCLE është një kompani e specializuar në riblerjen e këtyre produkteve, e cila disponon të gjitha burimet e nevojshme për të lehtësuar analizën shumë të saktë të përmbajtjes së elementeve me vlerë, falë të cilave klientët mund të llogarisin në një vlerësim të shpejtë të vlerës.

Kompania jonë kryen operacione në qytete të shumta të Rusisë. Nëse nuk ka pikë me një vendndodhje të përshtatshme, mund ta dërgoni produktin duke përdorur shërbimet e postës ose korrierit.

Burimi i të cilave është shteruar ose nëse për ndonjë arsye kanë humbur funksionalitetin e tyre, kontaktoni AUTOKAT RECYCLE - një procedurë që praktikisht nuk kërkon kohë. Pas marrjes së produktit, specialistët kryejnë analizat e nevojshme dhe llogaritin shumën e pagesës, dhe nëse klienti është i kënaqur me to, atëherë lidhet një marrëveshje dhe lëshohen para (janë të mundshme pa para dhe mënyra të tjera pagese).

Klientëve të AUTOKAT RECYCLE u garantohen kushte tërheqëse, jo pa përfitime dhe komoditet. Kështu, personat që vendosin të kalojnë katalizatorin mund të mbështeten në ofrimin e këshillave kompetente, çmimet e larta, kohën më të shkurtër të mundshme për teste dhe pagesa. Në sit, vizitorët mund të zbulojnë koston e përafërt të një produkti duke përdorur një kalkulator të veçantë, duke ditur përmbajtjen e përafërt të metaleve të çmuara në përbërjen e tij.

Në bazë të përbërjes së tyre, katalizatorët ndahen në 1) të modifikuar; 2) të përziera dhe 3) në bartës.

1) Katalizatorë të modifikuar. Një modifikues është një shtesë në katalizatorin e një sasie të vogël (deri në 10-12 wt. %) të një substance tjetër që nuk është katalitikisht aktive për një reaksion të caktuar, por përmirëson disa cilësi të katalizatorit (rezistenca ndaj nxehtësisë, forcë, rezistencë ndaj helmit. ). Nëse një modifikues rrit aktivitetin, ai është një promotor. Në bazë të natyrës së veprimit të tyre, promotorët ndahen në a) elektronike, duke shkaktuar deformim të rrjetave kristalore të katalizatorit ose ndryshimin e funksionit të punës së elektroneve në drejtimin e dëshiruar. Për shembull, shtimi i Cl - në një katalizator argjendi për oksidimin e metanolit: CH 3 OH ® CH 2 O; b) stabilizuese, duke parandaluar sinterizimin e strukturës së shpërndarë të katalizatorit. Për shembull, promotorët Al 2 O 3 dhe SiO 2 stabilizojnë kristalet parësore të katalizatorit të hekurit në sintezën e amoniakut: N 2 + 3H 2 ® 2NH 3. Në ditën e parë të funksionimit, kristalet sinterohen dhe zmadhohen nga 6 në 20 nm. Furnizimi me energji të lirë në ndërfaqen e kristalit zvogëlohet dhe aktiviteti zvogëlohet. Promotorët e futur, pa u restauruar, shkrihen në temperaturën e sintezës dhe një film i hollë mbështillet rreth kristaleve, duke i penguar ato të shkrihen. Megjithatë, të dy aditivët kanë një sipërfaqe acidike në të cilën molekula NH 3 është e absorbuar fort, duke parandaluar thithjen e molekulave të azotit dhe aktiviteti i katalizatorit zvogëlohet; V) formimi i strukturës, neutralizimi i qendrave acidike Al 2 O 3 dhe SiO 2. Për shembull, K 2 O, CaO dhe MgO, por sasia e tyre nuk duhet të jetë më shumë se 4-5 wt.%, pasi ato kanë një efekt mineralizues, d.m.th. nxisin sinterizimin e kristaleve të Fe.

2) Katalizatorë të përzier. Katalizatorët e përzier janë ata që përmbajnë disa përbërës që janë katalitikisht aktivë për një reaksion të caktuar, të marra në sasi të krahasueshme. Aktiviteti i këtyre katalizatorëve nuk është aditiv, por merr një vlerë ekstreme për arsyet e mëposhtme: formimi i përzierjeve mekanike me një kufi fazor më të madh, d.m.th. me një furnizim të madh të energjisë falas ( për shembull, për reaksionin HCºHC + H 2 O ® CH 3 -CHO, katalizatori është një përzierje e CdO + CaO/P 2 O 5 = 3-4; në një raport molar 3 £, vërehet selektivitet i lartë, por forca e kokrrizave të katalizatorit është e ulët; në ³4 – fortësi e lartë e granulave, por selektivitet i ulët); formimi i tretësirave të ngurta të tipit spinel(për shembull, në katalizatorin e oksidimit V 2 O 5 + MoO 3, kationi Mo +6 futet në pozicionet vakante të rrjetës kristalore V 2 O 5. Deformimi i rrjetës çon në një rritje të energjisë së lirë të sistemit; formimi i katalizatorëve të rinj, më aktivë në kushte reaksioni(për shembull, për sintezën e metanolit CO + 2H 2 ® CH 3 OH, përdoret një katalizator i kromit të zinkut:

ZnO + CrO 3 + H 2 O ® ZnCrO 4 × H 2 O

2ZnCrO 4 ×H 2 O + 3H 2 ® + 5H 2 O

Faza aktive e marrë pas reduktimit të katalizatorit, i cili në thelb është një katalizator i ri, tregohet në kllapa katrore.

3) Katalizatorë të mbështetur. Transportuesi përcakton formën dhe madhësinë e granulave, strukturën poroze optimale, forcën, rezistencën ndaj nxehtësisë dhe uljen e kostos. Ndonjëherë rrit aktivitetin (shih teorinë e fushës së ligandit). Klasifikimi i mediave: sintetike– xhel silicë, karbon aktiv, oksid alumini (g, a), qeramikë; natyrore– shtuf, diatomit; nga vëllimi i poreve– poroz (më shumë se 10%), jo poroz (10% ose më pak); sipas madhësisë së kokrrës- të mëdha (1-5 mm), të vogla (0,1-1,0 mm), të shpërndara imët (më pak se 0,1 mm); sipas sipërfaqes specifike– i vogël (më pak se 1 m 2 /g), i mesëm (1-50 m 2 /g), i zhvilluar (më shumë se 50 m 2 /g).

Ne do të blejmë katalizatorë industrialë në çdo vëllim në Rostov-on-Don dhe rajonin e Rostovit.

Rreth katalizatorëve

Një katalizator është një kimik që ndihmon në përshpejtimin e një reaksioni. Ka aplikim të gjerë në industri të ndryshme. Konsumatorët kryesorë të katalizatorit janë industria e përpunimit të naftës, petrokimike dhe kimike, ato përdoren me sukses në fushën e ekologjisë dhe mbrojtjes së mjedisit.

Klasifikimi

Të gjitha pajisjet e prodhuara klasifikohen:

Sipas llojit të reaksionit të katalizës - acid-bazë, redoks
Sipas grupit të procesit të katalizimit - sinteza e amoniakut, plasaritja e produkteve të naftës
Për nga natyra e bazës aktive të përdorur - metalike, okside, sulfide, komplekse dhe të tjera
Me metodën e prodhimit

Të gjithë katalizatorët përdorin ngjyrë dhe metale të çmuara: platin, alumin, hekur, krom, nikel, vanadium, kobalt, bismut, argjend, ari dhe shumë të tjera.

Katalizatorët industrialë janë gjithashtu homogjenë dhe heterogjenë. Homogjen - është në një fazë të përbashkët me reaktantin. Një katalizator që formon fazën e vet, i ndarë nga reaktantët, quhet heterogjen. Duke përdorur katalizatorë industrialë dhe lloje të tjera, jo vetëm që mund të shpëtojmë natyrën nga substancat toksike që ekzistojnë në çdo prodhim, por edhe të kursejmë lëndët e para.

Aplikacionet Industriale

Rritja e shpejtë e industrisë që po shohim tani nuk do të ishte e mundur pa zhvillimin dhe shfaqjen e kimikateve të reja. proceset teknologjike. Progresi lehtësohet kryesisht nga përdorimi i gjerë i katalizatorëve që ndihmojnë në transformimin e lëndëve të para me cilësi të ulët në produkte të cilësisë së lartë. Katalizatori mund të krahasohet me gurin filozofik, i cili besohej se transformonte disa metale në ar. Por vetëm katalizatorët transformojnë lëndët e para në ilaçe të ndryshme, plastikë, kimikate, lëndë djegëse, plehra të dobishëm dhe të nevojshëm dhe shërbime të tjera.

Aplikimi i katalizatorëve

Një ngjarje e rëndësishme për përdorimin praktik të katalizatorit është fillimi i prodhimit të margarinës me metodën e hidrogjenizimit katalitik të vajrave bimore. Kjo u krye për herë të parë në fillim të shekullit të 20-të, dhe tashmë në të njëzetat, shkencëtarët zhvilluan metoda katalitike për të marrë materiale të reja organike. Olefinat, nitrilet, esteret dhe acidet janë bërë një lloj "blloqe ndërtimi" për prodhimin e plastikës.

Vala tjetër në të cilën filluan të përdoren katalizatorët industrialë ishte rafinimi i naftës. Së shpejti, në këtë fushë të industrisë, katalizatorët nuk ishin më të nevojshëm, pasi këto pajisje përdoren në të gjitha fazat e procesit, si p.sh.

Plasaritje
Reformimi
Hidrosulfonimi
Hidrokrikim
Izomerizimi
Polimerizimi
Alkilimi

NË vitet e fundit Katalizatorët përdoren gjerësisht në fushën e mbrojtjes së mjedisit. Pajisja më e famshme që na ndihmon të ruajmë mjedisin është katalizatori i gazit të shkarkimit në makina.

Fushat e aplikimit të neutralizuesve po zgjerohen vazhdimisht, reagimi i katalizatorit bën të mundur përmirësimin e teknologjive të zhvilluara më parë. Për shembull, plasaritja katalitike është përmirësuar nga përdorimi i zeolitit.

Hidrogjenizimi

Në thelb, reaksionet katalitike përfshijnë aktivizimin e një atomi hidrogjeni me një molekulë tjetër, gjë që çon në ndërveprime kimike. Ky proces quhet hidrogjenim dhe është bazë për shumë faza në rafinimin e naftës, si dhe në prodhimin e karburantit të lëngshëm nga qymyri. Gjatë luftës, procesi i hidrogjenizimit u përdor gjerësisht në Gjermani për të prodhuar benzinë për aeroplanë dhe karburant për makinat nga qymyri, sepse Gjermania nuk ka naftë.

Hidrogjenizimi i vajrave të ngrënshëm vegjetal

Një tjetër veti e dobishme që kanë katalizatorët në industrinë ushqimore është hidrogjenizimi i vajit vegjetal në margarinë, vaj gatimi dhe produkte të tjera ushqimore. Në këtë rast, pluhuri i imët i nikelit aplikohet në katalizator ose substrat.

Dehidrogjenimi

Ky reaksion kimik i katalizës përdoret më rrallë se hidrogjenizimi, por, megjithatë, është gjithashtu i rëndësishëm, ndihmon në marrjen e stirenit, propanit, butanit, butenit.

Kataliza e acidit

Aktiviteti i shumicës së katalizatorëve përcaktohet dhe varet nga vetitë e tyre acidike. Katalizatorët industrialë acidë përdoren në shumicën e rasteve në rafinimin e naftës për të prodhuar parafina dhe hidrokarbure aromatike. Gjëja më e re në përdorimin e katalizatorëve është prodhimi i karburantit me plumb, si dhe llojeve të benzinës me oktan të lartë.

Duhet thënë se ende nuk ka një katalogim të unifikuar të katalizatorëve industrialë. Gjithçka shkon nga përvoja. Katalizatorët klasifikohen në bazë të parametrave të mëposhtëm:

Lloji i reaksionit të katalizës
Natyra e substancës që është aktive
Grupi i procesit katalitik.

Opsioni më gjithëpërfshirës është i treti, pasi është ai që është më i orientuar drejt industrisë moderne - petrokimike, kimike, përpunimi i naftës.

Historia e krijimit

Besohet se përdorimi i parë i një katalizatori ishte prodhimi i eterit etilik nga alkooli duke përdorur acid sulfurik si katalizator. Në shekullin e 18-të, u zbulua veprimi katalitik i acidit për sakarifikimin e niseshtës. Këtu, argjila dhe disa lloje metalesh përdoreshin si katalizator. Por ende, koncepti i "katalizës" nuk ekzistonte ende. Ishte vetëm në 1834 që Mitscherlich prezantoi konceptin e "reagimit të kontaktit". Emri "katalizë" u propozua nga Berzelius një vit më vonë - në 1835.

Përdorimi i platinit metalik për oksidim u patentua në 1831 nga shkencëtari Phillips, por kjo metodë e katalizës nuk mori aplikim industrial për një sërë arsyesh (platini uli aktivitetin e tij kur kombinohej me arsenikun dhe disa substanca të tjera toksike që përmbahen në gazra). Pasi zhvilluam një metodë për pastrimin e gazrave të ndryshëm nga substanca toksike, u bë e mundur krijimi i pajisjeve të para të mëdha industriale. Ajo u vu në veprim në Rusi në 1897 dhe u patentua në 1902. Sot më e rëndësishmja dhe ndërmarrjet e mëdha Industri të ndryshme përdorin "mace" industriale dhe secili proces përdor llojin e vet të katalizatorit, i cili ka një kombinim optimal të vetive.

Vëllimi i prodhimit të këtyre pajisjeve në botë është më shumë se 800 mijë tonë në vit. Disa nga katalizatorët zgjasin nga 6 muaj në një vit, ndërsa të tjerët kanë një jetë shumë më të gjatë shërbimi - deri në 10-12 vjet. Pasi të jetë arritur kufiri i funksionimit, katalizatori duhet të hidhet siç duhet.

Kompania jonë ju ofron kushte të favorshme shitje me çmime optimale. Na kontaktoni - mbani mend se katalizatorët përmbajnë jo vetëm metale të çmuara, por edhe substanca të dëmshme. Mos i hidhni pajisjet në deponi, është më mirë të kurseni natyrën, dhe përveç kësaj, mund të merrni një shumë të mirë parash për skrap.

Përmbajtja e artikullit

KATALIZA, përshpejtimi i reaksioneve kimike nën ndikimin e sasive të vogla të substancave (katalizatorëve), të cilat vetë nuk ndryshojnë gjatë reaksionit. Proceset katalitike luajnë një rol të madh në jetën tonë. Katalizatorët biologjikë, të quajtur enzima, janë të përfshirë në rregullimin e proceseve biokimike. Pa katalizatorë, shumë procese industriale nuk mund të zhvilloheshin.

Vetia më e rëndësishme e katalizatorëve është selektiviteti, d.m.th. aftësia për të rritur shpejtësinë e vetëm disa reaksioneve kimike nga shumë të mundshme. Kjo lejon reagimet që janë shumë të ngadalta për të qenë praktike në kushte normale dhe siguron formimin e produkteve të dëshiruara.

Përdorimi i katalizatorëve ka kontribuar në zhvillimin e shpejtë industria kimike. Ato përdoren gjerësisht në rafinimin e naftës, marrjen e produkteve të ndryshme dhe krijimin e materialeve të reja (për shembull, plastikës), shpesh më të lira se ato të përdorura më parë. Përafërsisht 90% e vëllimit të modernes prodhimi kimik bazuar në proceset katalitike. Proceset katalitike luajnë një rol të veçantë në mbrojtjen e mjedisit.

Shumica e reaksioneve katalitike kryhen në një presion dhe temperaturë të caktuar duke kaluar përzierjen e reaksionit, e cila është në gjendje të gaztë ose të lëngët, përmes një reaktori të mbushur me grimca katalizatore. Konceptet e mëposhtme përdoren për të përshkruar kushtet e reagimit dhe karakteristikat e produktit. Shpejtësia hapësinore është vëllimi i gazit ose lëngut që kalon nëpër një njësi vëllimi të katalizatorit për njësi të kohës. Aktiviteti katalitik është sasia e reaktantëve të konvertuar nga një katalizator në produkte për njësi të kohës. Konvertimi është fraksioni i një substance të konvertuar në një reaksion të caktuar. Selektiviteti është raporti i sasisë së një produkti të caktuar me sasinë totale të produkteve (zakonisht i shprehur në përqindje). Raporti rendiment – sasi të këtij produkti ndaj sasisë material burimor(zakonisht e shprehur në përqindje). Produktiviteti është numri i produkteve të reagimit të formuar për njësi vëllimi për njësi të kohës.

LLOJET E KATALISTIT

Katalizatorët klasifikohen në bazë të natyrës së reaksionit që përshpejtojnë. përbërjen kimike ose vetitë fizike. Pothuajse të gjithë kanë veti katalitike në një shkallë ose në një tjetër. elementet kimike dhe substancat - vetë ose, më shpesh, në kombinime të ndryshme. Sipas tyre vetitë fizike katalizatorët ndahen në homogjenë dhe heterogjenë. Katalizatorët heterogjenë janë substanca të ngurta që janë homogjene të shpërndara në të njëjtin gaz ose medium të lëngshëm si substancat reaguese.

Shumë katalizatorë heterogjenë përmbajnë metale. Disa metale, veçanërisht ato që i përkasin grupit VIII të tabelës periodike të elementeve, kanë aktivitet katalitik më vete; një shembull tipik është platini. Por shumica e metaleve shfaqin veti katalitike kur janë të pranishme në komponime; shembull - alumini (oksid alumini Al 2 O 3).

Një veti e pazakontë e shumë katalizatorëve heterogjenë është sipërfaqja e tyre e madhe. Ato depërtohen nga pore të shumta, sipërfaqja totale e së cilës ndonjëherë arrin 500 m 2 për 1 g katalizator. Në shumë raste, oksidet me sipërfaqe të madhe shërbejnë si një substrat mbi të cilin grimcat e katalizatorit metalik depozitohen në formën e grupimeve të vogla. Kjo siguron ndërveprim efektiv të reagentëve në fazën e gazit ose të lëngët me metalin katalitikisht aktiv. Një klasë e veçantë e katalizatorëve heterogjenë janë zeolitet - minerale kristalore të grupit aluminosilikat (përbërjet e silikonit dhe aluminit). Megjithëse shumë katalizatorë heterogjenë kanë një sipërfaqe të madhe, ata zakonisht kanë vetëm një numër të vogël zonash aktive, të cilat përbëjnë një pjesë të vogël të sipërfaqes totale. Katalizatorët mund të humbasin aktivitetin e tyre në prani të sasive të vogla të përbërjeve kimike të quajtura helme katalizatore. Këto substanca lidhen me qendrat aktive, duke i bllokuar ato. Përcaktimi i strukturës së vendeve aktive është objekt i një kërkimi intensiv.

Katalizatorët homogjenë kanë një natyrë kimike të ndryshme - acidet (H 2 SO 4 ose H 3 PO 4), bazat (NaOH), aminet organike, metalet, më së shpeshti metalet në tranzicion (Fe ose Rh), në formën e kripërave, përbërjeve organometrike ose karbonilet. Katalizatorët përfshijnë gjithashtu enzimat - molekula proteinike që rregullojnë reaksionet biokimike. Vendi aktiv i disa enzimave përmban një atom metali (Zn, Cu, Fe ose Mo). Enzimat që përmbajnë metal katalizojnë reaksionet që përfshijnë molekula të vogla (O 2, CO 2 ose N 2). Enzimat kanë aktivitet dhe selektivitet shumë të lartë, por ato funksionojnë vetëm në kushte të caktuara, siç janë ato në të cilat ndodhin reaksionet në organizmat e gjallë. Në industri, shpesh përdoret i ashtuquajturi. enzimat e imobilizuara.

SI FUNKSIONON KATALISTET

Energjisë.

Çdo reaksion kimik mund të ndodhë vetëm nëse reaktantët kapërcejnë pengesën e energjisë, dhe për këtë ata duhet të marrin një energji të caktuar. Siç kemi thënë tashmë, reaksioni katalitik X ® Y përbëhet nga një numër fazash të njëpasnjëshme. Secila prej tyre kërkon energji që të ndodhë. E, i quajtur energji aktivizimi. Ndryshimi i energjisë përgjatë koordinatës së reaksionit është paraqitur në Fig. 1.

Le të shqyrtojmë fillimisht rrugën jo-katalitike, "termike". Që të ndodhë një reaksion, energjia potenciale e molekulave X duhet të tejkalojë barrierën e energjisë E t Reaksioni katalitik përbëhet nga tre faza. E para është formimi i kompleksit X-Cat. (kimisorbimi), energjia e aktivizimit të së cilës është e barabartë me E reklama. Faza e dytë është rigrupimi i X-Cat. ® Y-Cat. me energji aktivizimi E macja, dhe së fundi, e treta - desorbimi me energji aktivizimi E des; E reklama, E mace dhe Eështë shumë më pak E t Meqenëse shpejtësia e reaksionit varet në mënyrë eksponenciale nga energjia e aktivizimit, reaksioni katalitik vazhdon shumë më shpejt se reaksioni termik në një temperaturë të caktuar.

Një katalizator mund të krahasohet me një udhërrëfyes që udhëzon alpinistët (molekulat reaguese) nëpër një varg malesh. Ai drejton një grup përmes kalimit dhe më pas kthehet për tjetrin. Rruga përmes kalimit shtrihet dukshëm më e ulët se ajo përmes majës (kanali termik i reaksionit), dhe grupi e bën kalimin më shpejt se pa një përcjellës (katalizator). Madje është e mundur që grupi të mos kishte mundur të kapërcejë vetë kurrizin.

Teoritë e katalizës.

Për të shpjeguar mekanizmin e reaksioneve katalitike, janë propozuar tre grupe teorish: gjeometrike, elektronike dhe kimike. Në teoritë gjeometrike, vëmendja kryesore i kushtohet korrespondencës midis konfigurimit gjeometrik të atomeve të qendrave aktive të katalizatorit dhe atomeve të asaj pjese të molekulave reaguese që është përgjegjëse për lidhjen me katalizatorin. Teoritë elektronike bazohen në idenë se kimisorbimi shkaktohet nga ndërveprimi elektronik i lidhur me transferimin e ngarkesës, d.m.th. këto teori e lidhin aktivitetin katalitik me vetitë elektronike katalizator. Teoria kimike e sheh një katalizator si një përbërje kimike me veti karakteristike që formon lidhje kimike me reagentët, duke rezultuar në formimin e një kompleksi të paqëndrueshëm tranzicioni. Pas dekompozimit të kompleksit me lëshimin e produkteve, katalizatori kthehet në gjendjen e tij origjinale. Teoria e fundit tani konsiderohet më e përshtatshme.

Në nivelin molekular, një reaksion katalitik në fazën e gazit mund të përfaqësohet si më poshtë. Një molekulë reaguese lidhet me vendin aktiv të katalizatorit dhe tjetra ndërvepron me të, duke qenë drejtpërdrejt në fazën e gazit. Një mekanizëm alternativ është gjithashtu i mundur: molekulat reaguese absorbohen në qendrat aktive fqinje të katalizatorit dhe më pas ndërveprojnë me njëra-tjetrën. Me sa duket, kështu vazhdojnë shumica e reaksioneve katalitike.

Një koncept tjetër sugjeron se ekziston një marrëdhënie midis rregullimit hapësinor të atomeve në sipërfaqen e një katalizatori dhe aktivitetit të tij katalitik. Shpejtësia e disa proceseve katalitike, duke përfshirë shumë reaksione hidrogjenizimi, nuk varet nga pozicioni relativ i atomeve katalitikisht aktivë në sipërfaqe; shpejtësia e të tjerëve, përkundrazi, ndryshon ndjeshëm me ndryshimet në konfigurimin hapësinor të atomeve sipërfaqësore. Një shembull është izomerizimi i neopentanit në izopentan dhe plasaritja e njëkohshme e këtij të fundit në izobutan dhe metan në sipërfaqen e një katalizatori Pt-Al 2 O 3.

APLIKIMI I KATALIZËS NË INDUSTRIA

Rritja e shpejtë industriale që po përjetojmë tani nuk do të ishte e mundur pa zhvillimin e teknologjive të reja kimike. Në një masë të madhe, ky përparim përcaktohet nga përdorimi i gjerë i katalizatorëve, me ndihmën e të cilëve lëndët e para me cilësi të ulët shndërrohen në produkte me vlerë të lartë. Në mënyrë figurative, një katalizator është guri filozofik i një alkimisti modern, vetëm se ai nuk e shndërron plumbin në ar, por lëndët e para në ilaçe, plastikë, kimikate, lëndë djegëse, plehra dhe produkte të tjera të dobishme.

Ndoshta procesi i parë katalitik që njeriu mësoi të përdorte ishte fermentimi. Recetat për përgatitjen e pijeve alkoolike ishin të njohura për sumerët që në vitin 3500 para Krishtit. Cm. VERË; BIRË.

Një moment historik i rëndësishëm në aplikim praktik katalizimi ishte prodhimi i margarinës nga hidrogjenizimi katalitik i vajit vegjetal. Ky reagim u krye për herë të parë në një shkallë industriale rreth vitit 1900. Dhe që nga vitet 1920, metodat katalitike për prodhimin e materialeve të reja organike, kryesisht plastike, janë zhvilluar njëra pas tjetrës. Pika kyçe ishte prodhimi katalitik i olefinave, nitrileve, estereve, acideve etj. – “tulla” për “ndërtimin” kimik të plastikës.

Vala e tretë e përdorimit industrial të proceseve katalitike ndodhi në vitet 1930 dhe u shoqërua me rafinimin e naftës. Përsa i përket vëllimit, ky prodhim shumë shpejt i la të tjerët shumë prapa. Rafinimi i naftës përbëhet nga disa procese katalitike: plasaritja, reformimi, hidrosulfonimi, hidrokrikimi, izomerizimi, polimerizimi dhe alkilimi.

Së fundi, vala e katërt në përdorimin e katalizës lidhet me mbrojtjen e mjedisit. Arritja më e famshme në këtë fushë është krijimi i një konverteri katalitik për gazrat e shkarkimit të automobilave. Katalizatorët, të cilët janë instaluar në makina që nga viti 1975, kanë luajtur një rol të madh në përmirësimin e cilësisë së ajrit dhe në këtë mënyrë në shpëtimin e shumë jetëve.

Rreth një duzinë çmime Nobel janë dhënë për punën në katalizë dhe fusha të ngjashme.

Rëndësia praktike e proceseve katalitike dëshmohet nga fakti se pjesa e azotit të përfshirë në përbërjet që përmbajnë azot të prodhuara në mënyrë industriale përbën rreth gjysmën e të gjithë azotit të përfshirë në përbërje. produkte ushqimore. Sasia e komponimeve të azotit të prodhuar në mënyrë natyrale është e kufizuar, kështu që prodhimi i proteinave dietike varet nga sasia e azotit të shtuar në tokë nëpërmjet plehrave. Do të ishte e pamundur të ushqehej gjysma e njerëzimit pa amoniak sintetik, i cili prodhohet pothuajse ekskluzivisht përmes procesit katalitik Haber-Bosch.

Shtrirja e aplikimit të katalizatorëve po zgjerohet vazhdimisht. Është gjithashtu e rëndësishme që kataliza mund të rrisë ndjeshëm efikasitetin e teknologjive të zhvilluara më parë. Një shembull është përmirësimi i plasaritjes katalitike nëpërmjet përdorimit të zeolitit.

Hidrogjenizimi.

Një numër i madh reaksionesh katalitike shoqërohen me aktivizimin e një atomi hidrogjeni dhe disa molekulave të tjera, duke çuar në ndërveprimin e tyre kimik. Ky proces quhet hidrogjenim dhe qëndron në themel të shumë fazave të përpunimit të naftës dhe prodhimit të lëndëve djegëse të lëngshme nga qymyri (procesi Bergius).

Prodhimi i benzinës së aviacionit dhe karburantit motorik nga qymyri u zhvillua në Gjermani gjatë Luftës së Dytë Botërore, pasi ky vend nuk kishte fushat e naftës. Procesi Bergius përfshin shtimin e drejtpërdrejtë të hidrogjenit në qymyr. Qymyri nxehet nën presion në prani të hidrogjenit për të prodhuar një produkt të lëngshëm, i cili më pas përpunohet në benzinë aviacioni dhe karburant motorik. Oksidi i hekurit përdoret si katalizator, si dhe katalizatorë të bazuar në kallaj dhe molibden. Gjatë luftës, 12 fabrika në Gjermani prodhonin afërsisht 1400 ton karburant të lëngshëm në ditë duke përdorur procesin Bergius.

Një proces tjetër, Fischer-Tropsch, përbëhet nga dy faza. Së pari gazifikohet qymyri, d.m.th. Ata reagojnë me avujt e ujit dhe oksigjenin dhe marrin një përzierje të hidrogjenit dhe oksideve të karbonit. Kjo përzierje shndërrohet në lëndë djegëse të lëngshme duke përdorur katalizatorë që përmbajnë hekur ose kobalt. Me përfundimin e luftës, prodhimi i karburantit sintetik nga qymyri në Gjermani u ndërpre.

Si rezultat i rritjes së çmimeve të naftës pas embargos së naftës të viteve 1973-1974, u bënë përpjekje të fuqishme për të zhvilluar ekonomikisht mënyrë fitimprurëse marrja e benzinës nga qymyri. Kështu, lëngëzimi i drejtpërdrejtë i qymyrit mund të kryhet në mënyrë më efikase duke përdorur një proces me dy faza në të cilin qymyri fillimisht kontaktohet me një katalizator alumini-kobalt-molibden në një temperaturë relativisht të ulët dhe më pas në një temperaturë më të lartë. temperaturë të lartë. Kostoja e një benzine të tillë sintetike është më e lartë se ajo e marrë nga nafta.

Amoniaku.

Një nga proceset më të thjeshta të hidrogjenizimit nga pikëpamja kimike është sinteza e amoniakut nga hidrogjeni dhe azoti. Azoti është një substancë shumë inerte. Për të thyer lidhjen N–N në molekulën e saj, nevojitet një energji prej rreth 200 kcal/mol. Megjithatë, azoti lidhet me sipërfaqen e katalizatorit të hekurit në gjendje atomike dhe kjo kërkon vetëm 20 kcal/mol. Hidrogjeni lidhet me hekurin edhe më lehtë. Sinteza e amoniakut zhvillohet si më poshtë:

Ky shembull ilustron aftësinë e një katalizatori për të përshpejtuar njësoj si reaksionet përpara ashtu edhe ato të kundërta, d.m.th. fakti që katalizatori nuk e ndryshon pozicionin e ekuilibrit të një reaksioni kimik.

Hidrogjenizimi i vajit vegjetal.

Një nga reaksionet më të rëndësishme të hidrogjenizimit në aspektin praktik është hidrogjenizimi jo i plotë i vajrave bimore në margarinë, vaj gatimi dhe produkte të tjera ushqimore. Vajrat vegjetale merren nga soja, farat e pambukut dhe kulturat e tjera. Ato përmbajnë estere, përkatësisht trigliceride të acideve yndyrore me shkallë të ndryshme të pangopurit. Acidi oleik CH 3 (CH 2) 7 CH=CH(CH 2) 7 COOH ka një lidhje të dyfishtë C=C, acidi linoleik ka dy dhe acidi linolenik ka tre. Shtimi i hidrogjenit për të thyer këtë lidhje parandalon vajrat nga oksidimi (ranciditeti). Kjo rrit pikën e tyre të shkrirjes. Fortësia e shumicës së produkteve që rezultojnë varet nga shkalla e hidrogjenizimit. Hidrogjenizimi kryhet në prani të pluhurit të hollë të nikelit të depozituar në një substrat ose një katalizator nikel Raney në një atmosferë me hidrogjen shumë të pastruar.

Dehidrogjenimi.

Dehidrogjenimi është gjithashtu një reaksion katalitik i rëndësishëm industrial, megjithëse shkalla e aplikimit të tij është pakrahasueshme më e vogël. Me ndihmën e tij, për shembull, fitohet stiren, një monomer i rëndësishëm. Për ta bërë këtë, etilbenzeni dehidrogjenohet në prani të një katalizatori që përmban oksid hekuri; Reagimi lehtësohet gjithashtu nga kaliumi dhe një lloj stabilizuesi strukturor. Dehidrogjenimi i propanit, butanit dhe alkaneve të tjera kryhet në shkallë industriale. Dehidrogjenimi i butanit në prani të një katalizatori krom-alumin prodhon butene dhe butadien.

Kataliza e acidit.

Aktiviteti katalitik i një klase të madhe katalizatorësh përcaktohet nga vetitë e tyre acidike. Sipas I. Brønsted dhe T. Lowry, një acid është një përbërës i aftë të dhurojë një proton. Acidet e forta i dhurojnë lehtësisht protonet e tyre bazave. Koncepti i aciditetit u zhvillua më tej në veprat e G. Lewis, i cili e përkufizoi acidin si një substancë të aftë për të pranuar një çift elektronik nga një substancë dhuruese me formimin e një lidhje kovalente për shkak të socializimit të këtij çifti elektronik. Këto ide, së bashku me idetë rreth reaksioneve që prodhojnë jone karbeniumi, ndihmuan për të kuptuar mekanizmin e një sërë reaksionesh katalitike, veçanërisht ato që përfshijnë hidrokarburet.

Forca e një acidi mund të përcaktohet duke përdorur një grup bazash që ndryshojnë ngjyrën kur shtohet një proton. Rezulton se disa katalizatorë të rëndësishëm industrialë sillen si acide shumë të forta. Këto përfshijnë një katalizator të procesit Friedel-Crafts, të tillë si HCl-AlCl 2 O 3 (ose HAlCl 4) dhe aluminosilikatet. Forca e acidit është një karakteristikë shumë e rëndësishme sepse përcakton shpejtësinë e protonimit, një hap kyç në procesin e katalizimit acid.

Aktiviteti i katalizatorëve të tillë si aluminosilikatet, të përdorura në plasaritjen e vajit, përcaktohet nga prania e acideve Brønsted dhe Lewis në sipërfaqen e tyre. Struktura e tyre është e ngjashme me strukturën e silicës (dioksid silici), në të cilën disa nga atomet Si 4+ zëvendësohen nga atomet Al 3+. Ngarkesa negative e tepërt që lind në këtë rast mund të neutralizohet nga kationet përkatëse. Nëse kationet janë protone, atëherë aluminosilikati sillet si një acid Brønsted:

Aktiviteti i katalizatorëve acid përcaktohet nga aftësia e tyre për të reaguar me hidrokarburet për të formuar një jon karbeniumi si një produkt të ndërmjetëm. Jonet e alkilkarbeniumit përmbajnë një atom karboni të ngarkuar pozitivisht të lidhur me tre grupe alkil dhe/ose atome hidrogjeni. Ato luajnë një rol të rëndësishëm si ndërmjetës të formuar në shumë reaksione që përfshijnë komponime organike. Mekanizmi i veprimit të katalizatorëve acidë mund të ilustrohet duke përdorur shembullin e një reaksioni izomerizimi n-butan në izobutan në prani të HCl-AlCl3 ose Pt-Cl-Al2O3. Së pari, një sasi e vogël e olefinës C4H8 i bashkëngjitet jonit të hidrogjenit të ngarkuar pozitivisht të katalizatorit acid për të formuar një jon terciar karbeniumi. Pastaj hidridi joni H- i ngarkuar negativisht shkëputet nga n-butani për të formuar izobutanin dhe jonin sekondar të butilkarbeniumit. Ky i fundit, si rezultat i rirregullimit, kthehet në një jon terciar karbeniumi. Ky zinxhir mund të vazhdojë me eliminimin e një joni hidridi nga molekula tjetër n-butan, etj.:

Është domethënëse që jonet terciare të karbeniumit janë më të qëndrueshme se ato parësore ose sekondare. Si rezultat, ato janë kryesisht të pranishme në sipërfaqen e katalizatorit, dhe për këtë arsye produkti kryesor i izomerizimit të butanit është izobutani.

Katalizatorët acidë përdoren gjerësisht në rafinimin e naftës - plasaritjen, alkilimin, polimerizimin dhe izomerizimin e hidrokarbureve. Është vendosur mekanizmi i veprimit të joneve të karbeniumit, të cilët luajnë rolin e katalizatorëve në këto procese. Duke vepruar kështu, ata marrin pjesë në një sërë reaksionesh, duke përfshirë formimin e molekulave të vogla nga ndarja e molekulave të mëdha, kombinimin e molekulave (olefina në olefin ose olefina në izoparafinë), rirregullimin strukturor nga izomerizimi dhe formimin e parafinave dhe aromatikeve. hidrokarburet me transferimin e hidrogjenit.

Një nga aplikimet më të fundit të katalizimit acid në industri është prodhimi i lëndëve djegëse me plumb duke shtuar alkool në izobutileni ose izoamilen. Shtimi i përbërjeve që përmbajnë oksigjen në benzinë redukton përqendrimin e monoksidit të karbonit në gazrat e shkarkimit. metil- fërkon-butil eter (MTBE) me një numër oktani përzierës 109 gjithashtu bën të mundur marrjen e karburantit me oktan të lartë të nevojshëm për funksionimin e një motori makine me shkallë të lartë ngjeshja pa futur plumb tetraetil në benzinë. Është organizuar edhe prodhimi i lëndëve djegëse me numra oktan 102 dhe 111.

Kataliza bazë.

Aktiviteti i katalizatorëve përcaktohet nga vetitë e tyre themelore. Një shembull i vjetër dhe i njohur i katalizatorëve të tillë është hidroksidi i natriumit, i përdorur për të hidrolizuar ose saponifikuar yndyrnat për të bërë sapun, dhe një shembull i fundit janë katalizatorët që përdoren në prodhimin e plastikës poliuretani dhe shkumave. Uretani formohet nga reaksioni i alkoolit me izocianat dhe ky reaksion përshpejtohet në prani të amineve bazike. Gjatë reaksionit, një bazë i bashkëngjitet atomit të karbonit në molekulën e izocianatit, si rezultat i së cilës një ngarkesë negative shfaqet në atomin e azotit dhe aktiviteti i tij ndaj alkoolit rritet. Trietilendiamina është një katalizator veçanërisht efektiv. Plastika poliuretani prodhohet duke reaguar diizocianatet me poliolet (polialkoolet). Kur izocianati reagon me ujin, uretani i formuar më parë dekompozohet, duke lëshuar CO 2 . Kur një përzierje e polialkooleve dhe ujit ndërvepron me diizocianate, shkuma poliuretani që rezulton shkumon me gaz CO 2.

Katalizatorë me veprim të dyfishtë.

Këta katalizatorë përshpejtojnë dy lloje reaksionesh dhe prodhojnë rezultate më të mira sesa kalimi i reaktantëve në seri nëpër dy reaktorë, secili përmban vetëm një lloj katalizatori. Kjo për faktin se vendet aktive të një katalizatori me veprim të dyfishtë janë shumë afër njëri-tjetrit, dhe produkti i ndërmjetëm i formuar në njërën prej tyre shndërrohet menjëherë në produktin përfundimtar në tjetrin.

Një rezultat i mirë arrihet duke kombinuar një katalizator që aktivizon hidrogjenin me një katalizator që nxit izomerizimin e hidrokarbureve. Aktivizimi i hidrogjenit kryhet nga disa metale, dhe izomerizimi i hidrokarbureve kryhet nga acidet. Një katalizator efektiv me veprim të dyfishtë i përdorur në rafinimin e naftës për të kthyer naftën në benzinë është platini i ndarë imët i mbështetur në alumin acid. Shndërrimi i përbërësve të naftës si metilciklopentani (MCP) në benzen rrit numrin e oktanit të benzinës. Së pari, MCP dehidrogjenohet në pjesën e platinit të katalizatorit në një olefin me të njëjtin skelet karboni; olefina më pas kalon në pjesën acide të katalizatorit, ku izomerizohet në cikloheksen. Ky i fundit kalon në pjesën e platinit dhe dehidrogjenohet në benzen dhe hidrogjen.

Katalizatorët me veprim të dyfishtë përshpejtojnë ndjeshëm reformimin e naftës. Ato përdoren për të izomerizuar parafinat normale në izoparafina. Këto të fundit, duke zier në të njëjtat temperatura si fraksionet e benzinës, janë të vlefshme sepse kanë një numër oktani më të lartë në krahasim me hidrokarburet e drejta. Për më tepër, transformimi n-butani në izobutan shoqërohet me dehidrogjenim, duke lehtësuar prodhimin e MTBE.

Polimerizimi stereospecifik.

Një moment historik i rëndësishëm në historinë e katalizës ishte zbulimi i polimerizimit katalitik a-olefinat për të formuar polimere stereoregulare. Katalizatorët e polimerizimit stereospecifik u zbuluan nga K. Ziegler kur ai po përpiqej të shpjegonte vetitë e pazakonta të polimereve që përftoi. Një tjetër kimist, J. Natta, sugjeroi që veçantia e polimereve Ziegler përcaktohet nga stererregullsia e tyre. Eksperimentet e difraksionit me rreze X kanë treguar se polimerët e përgatitur nga propileni në prani të katalizatorëve Ziegler janë shumë kristalorë dhe në të vërtetë kanë një strukturë stereoregulare. Për të përshkruar struktura të tilla të renditura, Natta prezantoi termat "izotaktik" dhe "sindiotaktik". Në rastet kur nuk ka rend, përdoret termi "atactic":

Një reaksion stereospecifik ndodh në sipërfaqen e katalizatorëve të ngurtë që përmbajnë metale kalimtare të grupeve IVA-VIII (të tilla si Ti, V, Cr, Zr), të cilët janë në një gjendje pjesërisht të oksiduar, dhe çdo përbërës që përmban karbon ose hidrogjen, i cili është i lidhur me metali nga grupet I–III. Një shembull klasik i një katalizatori të tillë është precipitati i formuar nga bashkëveprimi i TiCl 4 dhe Al(C 2 H 5) 3 në heptan, ku titani reduktohet në gjendjen trevalente. Ky sistem jashtëzakonisht aktiv katalizon polimerizimin e propilenit në temperatura dhe presione normale.

Oksidimi katalitik.

Përdorimi i katalizatorëve për të kontrolluar kiminë e proceseve të oksidimit ka një rëndësi të madhe shkencore dhe praktike. Në disa raste, oksidimi duhet të jetë i plotë, për shembull kur neutralizon CO dhe ndotësit e hidrokarbureve në gazrat e shkarkimit të automjeteve. Megjithatë, më shpesh është e nevojshme që oksidimi të jetë jo i plotë, për shembull, në shumë procese industriale të përdorura gjerësisht për shndërrimin e hidrokarbureve në produkte të ndërmjetme të vlefshme që përmbajnë grupe funksionale si –CHO, –COOH, –C–CO, –CN. Në këtë rast, përdoren katalizatorë homogjenë dhe heterogjenë. Një shembull i një katalizatori homogjen është një kompleks metalik kalimtar, i cili përdoret për oksidim çift-ksilen në acid tereftalik, esteret e të cilit shërbejnë si bazë për prodhimin e fibrave poliester.

Katalizatorë për oksidim heterogjen.

Këta katalizatorë janë zakonisht okside të ngurta komplekse. Oksidimi katalitik ndodh në dy faza. Së pari, oksigjeni në oksid kapet nga një molekulë hidrokarbure e përthithur në sipërfaqen e oksidit. Në këtë rast, hidrokarburet oksidohen, dhe oksidi zvogëlohet. Oksidi i reduktuar reagon me oksigjenin dhe kthehet në gjendjen e tij origjinale. Duke përdorur një katalizator vanadiumi, anhidridi ftalik përftohet nga oksidimi jo i plotë i naftalinës ose butanit.

Prodhimi i etilenit nga dehidrodimerizimi i metanit.

Sinteza e etilenit nëpërmjet dehidrodimerizimit lejon shndërrimin e gazi natyror në hidrokarbure që transportohen më lehtë. Reaksioni 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O kryhet në 850 ° C duke përdorur katalizatorë të ndryshëm; rezultatet më të mira janë marrë me katalizatorin Li-MgO. Me sa duket reaksioni vazhdon përmes formimit të një radikal metil nga abstraksioni i një atomi hidrogjeni nga një molekulë metani. Eliminimi kryhet nga oksigjeni i reduktuar jo plotësisht, për shembull O 2 2–. Radikalët metil në fazën e gazit rikombinohen për të formuar një molekulë etani dhe, gjatë dehidrogjenimit të mëvonshëm, shndërrohen në etilen. Një shembull tjetër i oksidimit jo të plotë është shndërrimi i metanolit në formaldehid në prani të një katalizatori argjendi ose hekur-molibden.

Zeolite.

Zeolitet përbëjnë një klasë të veçantë katalizatorësh heterogjenë. Këto janë aluminosilikate me një strukturë huall mjalti të renditur, madhësia e qelizave të së cilës është e krahasueshme me madhësinë e shumë molekulave organike. Quhen edhe sita molekulare. Me interes më të madh janë zeolitet, poret e të cilëve formohen nga unaza të përbëra nga 8-12 jone oksigjeni (Fig. 2). Ndonjëherë poret mbivendosen, si në zeolitin ZSM-5 (Fig. 3), i cili përdoret për shndërrimin shumë specifik të metanolit në hidrokarbure të fraksionit të benzinës. Benzina përmban sasi të konsiderueshme të hidrokarbureve aromatike dhe për këtë arsye ka një numër të lartë oktani. Në Zelandën e Re, për shembull, një e treta e të gjithë benzinës së konsumuar prodhohet duke përdorur këtë teknologji. Metanoli prodhohet nga metani i importuar.

Katalizatorët që përbëjnë grupin e Y-zeolitëve rrisin ndjeshëm efikasitetin e plasaritjes katalitike kryesisht për shkak të vetive të tyre të pazakonta acidike. Zëvendësimi i aluminosilikateve me zeolite bën të mundur rritjen e rendimentit të benzinës me më shumë se 20%.

Përveç kësaj, zeolitët kanë selektivitet në lidhje me madhësinë e molekulave që reagojnë. Selektiviteti i tyre përcaktohet nga madhësia e poreve nëpër të cilat mund të kalojnë molekula të madhësive dhe formave të caktuara. Kjo vlen si për materialet fillestare ashtu edhe për produktet e reagimit. Për shembull, për shkak të kufizimeve sterike çift-ksileni formohet më lehtë se sa ato më të mëdha orto- Dhe meta-izomerë. Këta të fundit e gjejnë veten të “mbyllur” në poret e zeolitit (Fig. 4).

Përdorimi i zeolitit ka bërë një revolucion të vërtetë në disa teknologji industriale - depilimi i gazit dhe vajit të motorit, marrja e ndërmjetësve kimikë për prodhimin e plastikës me alkilimin e përbërjeve aromatike, izomerizimi i ksilenit, disproporcioni i toluenit dhe plasaritja katalitike e vajit. Zeoliti ZSM-5 është veçanërisht efektiv këtu.

Katalizatorët dhe mbrojtja e mjedisit.

Përdorimi i katalizatorëve për të reduktuar ndotjen e ajrit filloi në fund të viteve 1940. Në vitin 1952, A. Hagen-Smith zbuloi se hidrokarburet dhe oksidet e azotit të përfshira në gazrat e shkarkimit reagojnë në dritë për të formuar oksidantë (në veçanti, ozonin), të cilët irritojnë sytë dhe japin efekte të tjera të padëshirueshme. Në të njëjtën kohë, Y. Khoudri zhvilloi një metodë për pastrimin katalitik të gazrave të shkarkimit duke oksiduar CO dhe hidrokarbure në CO 2 dhe H 2 O. Në vitin 1970, u formulua Deklarata e Ajrit të Pastër (përpunuar në 1977, zgjeruar në 1990). sipas të cilit të gjitha makinat e reja, duke filluar nga modelet e vitit 1975, duhet të pajisen me konvertues katalitik shkarkimi. U vendosën standarde për përbërjen e gazrave të shkarkimit. Për shkak se komponimet e plumbit i shtohen katalizatorëve të helmit të benzinës, është miratuar një program i heqjes dorë. Vëmendja u tërhoq edhe për nevojën për të reduktuar përmbajtjen e oksideve të azotit.

Katalizatorët janë krijuar posaçërisht për neutralizuesit e automobilave, në të cilët përbërësit aktivë aplikohen në një substrat qeramik me një strukturë huall mjalti, përmes qelizave të së cilës kalojnë gazrat e shkarkimit. Nënshtresa është e veshur me një shtresë të hollë oksidi metalik, për shembull Al 2 O 3, mbi të cilin aplikohet një katalizator - platin, paladium ose rodium. Përmbajtja e oksideve të azotit të formuara gjatë djegies së lëndëve djegëse natyrore në termocentralet mund të reduktohet duke shtuar sasi të vogla amoniaku në gazrat e gripit dhe duke i kaluar ato përmes një katalizatori titani vanadium.

Enzimat.

Enzimat janë katalizatorë natyrorë që rregullojnë proceset biokimike në një qelizë të gjallë. Ata marrin pjesë në proceset e shkëmbimit të energjisë, në zbërthimin e lëndëve ushqyese dhe në reaksionet e biosintezës. Pa to, shumë reaksione organike komplekse nuk mund të ndodhin. Enzimat funksionojnë në temperatura dhe presione të zakonshme, kanë selektivitet shumë të lartë dhe janë të afta të rrisin shpejtësinë e reagimit me tetë rend të madhësisë. Pavarësisht këtyre avantazheve, vetëm përafërsisht. 20 nga 15,000 enzimat e njohura përdoren në një shkallë të gjerë.

Njeriu ka përdorur enzima për mijëra vjet për të pjekur bukë, për të prodhuar pije alkoolike, djathë dhe uthull. Tani enzimat përdoren edhe në industri: në përpunimin e sheqerit, në prodhimin e antibiotikëve sintetikë, aminoacideve dhe proteinave. Detergjentëve u shtohen enzimat proteolitike që përshpejtojnë proceset e hidrolizës.

Me ndihmën e baktereve Clostridium acetobutylicum H. Weizmann kreu shndërrimin enzimatik të niseshtës në aceton dhe alkool butil. Kjo metodë e prodhimit të acetonit u përdor gjerësisht në Angli gjatë Luftës së Parë Botërore, dhe gjatë Luftës së Dytë Botërore u përdor për prodhimin e gomës butadiene në BRSS.

Një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm ka luajtur përdorimi i enzimave të prodhuara nga mikroorganizmat për sintezën e penicilinës, si dhe streptomicina dhe vitamina B 12.

Alkooli etilik, i prodhuar nga proceset enzimatike, përdoret gjerësisht si karburant automobilistik. Në Brazil, më shumë se një e treta e rreth 10 milionë makinave funksionojnë me 96% alkool etilik që rrjedh nga kallam sheqeri, ndërsa pjesa tjetër funksionon me një përzierje benzine dhe alkool etilik (20%). Teknologjia për prodhimin e karburantit, e cila është një përzierje e benzinës dhe alkoolit, është zhvilluar mirë në Shtetet e Bashkuara. Në vitin 1987, përafërsisht. 4 miliardë litra alkool, nga të cilat afërsisht 3.2 miliardë litra u përdorën si lëndë djegëse. Të ashtuquajturat gjithashtu gjeni aplikacione të ndryshme. enzimat e imobilizuara. Këto enzima janë të lidhura me një mbështetje të fortë, të tillë si xhel silicë, mbi të cilin kalohen reagentët. Avantazhi i kësaj metode është se siguron kontakt efikas të substrateve me enzimën, ndarjen e produkteve dhe ruajtjen e enzimës. Një shembull i përdorimit industrial të enzimave të imobilizuara është izomerizimi i D-glukozës në fruktozë.

ASPEKTET TEKNOLOGJIKE

Teknologjitë moderne nuk mund të imagjinohen pa përdorimin e katalizatorëve. Reaksionet katalitike mund të ndodhin në temperatura deri në 650 ° C dhe presione prej 100 atm ose më shumë. Kjo detyron zgjidhje të reja për problemet që lidhen me kontaktin midis substancave të gazta dhe të ngurta dhe me transferimin e grimcave të katalizatorit. Që procesi të jetë efektiv, modelimi i tij duhet të marrë parasysh aspektet kinetike, termodinamike dhe hidrodinamike. Këtu përdoret gjerësisht modelimi kompjuterik, si dhe instrumente dhe metoda të reja për monitorimin e proceseve teknologjike.

Në vitin 1960, u bë përparim i rëndësishëm në prodhimin e amoniakut. Përdorimi i një katalizatori më aktiv bëri të mundur uljen e temperaturës së prodhimit të hidrogjenit gjatë dekompozimit të avullit të ujit, gjë që bëri të mundur uljen e presionit dhe, për rrjedhojë, uljen e kostove të prodhimit, për shembull, përmes përdorimit të kompresorëve centrifugale më të lirë. . Si rezultat, kostoja e amoniakut ra me më shumë se gjysmën, pati një rritje kolosale në prodhimin e tij, dhe në lidhje me këtë, një rritje në prodhimin e ushqimit, pasi amoniaku është një pleh i vlefshëm.

Metodat.

Kërkimet në fushën e katalizës kryhen duke përdorur metoda tradicionale dhe speciale. Përdoren gjurmuesit radioaktivë, spektroskopia me rreze X, infra të kuqe dhe Raman (Raman), metoda mikroskopike elektronike; Bëhen matje kinetike, studiohet ndikimi i metodave të përgatitjes së katalizatorëve në aktivitetin e tyre. Vlera e madhe ka një përcaktim të sipërfaqes së katalizatorit duke përdorur metodën Brunauer–Emmett–Teller (metoda BET), bazuar në matjen e përthithjes fizike të azotit në presione të ndryshme. Për ta bërë këtë, përcaktoni sasinë e azotit të kërkuar për të formuar një shtresë të vetme në sipërfaqen e katalizatorit dhe, duke ditur diametrin e molekulës N 2, llogaritni sipërfaqen totale. Përveç përcaktimit të sipërfaqes totale, kryhet kimisorbimi i molekulave të ndryshme, gjë që bën të mundur vlerësimin e numrit të qendrave aktive dhe marrjen e informacionit për vetitë e tyre.

Studiuesit kanë në dispozicion metoda të ndryshme për të studiuar strukturën sipërfaqësore të katalizatorëve në nivel atomik. Metoda EXAFS ju lejon të merrni informacion unik. Ndër metodat spektroskopike, spektroskopia fotoelektronike UV, rreze X dhe Auger përdoren gjithnjë e më shumë. Spektrometria e masës së joneve sekondare dhe spektroskopia e shpërndarjes së joneve janë me interes të madh. Matjet NMR përdoren për të studiuar natyrën e komplekseve katalitike. Një mikroskop tunelizimi skanues ju lejon të shihni rregullimin e atomeve në sipërfaqen e katalizatorit.

PERSPEKTIVAT

Shkalla e proceseve katalitike në industri po rritet çdo vit. Katalizatorët përdoren gjithnjë e më shumë për të neutralizuar ndotësit. mjedisi. Roli i katalizatorëve në prodhimin e hidrokarbureve dhe lëndëve djegëse sintetike që përmbajnë oksigjen nga gazi dhe qymyri po rritet. Krijimi i qelizave të karburantit për shndërrimin ekonomik të energjisë së karburantit në energji elektrike duket shumë premtues.

Konceptet e reja të katalizës do të bëjnë të mundur marrjen materiale polimer dhe produkte të tjera me shumë veti të vlefshme, përmirësojnë metodat e marrjes së energjisë, rrisin prodhimin e ushqimit, veçanërisht duke sintetizuar proteinat nga alkanet dhe amoniaku me ndihmën e mikroorganizmave. Mund të jetë e mundur të zhvillohen metoda të krijuara gjenetikisht për prodhimin e enzimave dhe komponimeve organometalike që u afrohen katalizatorëve biologjikë natyrorë në aktivitetin dhe selektivitetin e tyre katalitik.

Literatura:

Gates B.K. Kimia e proceseve katalitike. M., 1981
Boreskov G.K. Kataliza. Pyetje të teorisë dhe praktikës. Novosibirsk, 1987
Gankin V.Yu., Gankin Yu.V. Teoria e re e përgjithshme e katalizës. L., 1991
Tokabe K. Katalizatorët dhe proceset katalitike. M., 1993

Kataliza është një nga fushat më dinamike dhe me zhvillim më të shpejtë të shkencës dhe teknologjisë. Sistemet e reja katalitike po zhvillohen vazhdimisht dhe ato ekzistuese po përmirësohen, propozohen procese të reja katalitike, dizajni i tyre i harduerit po ndryshon, po përmirësohen dhe shfaqen metoda të reja fizike dhe kimike për studimin e katalizatorëve. Shumica e proceseve kimike të përfshira në ndërmarrjet petrokimike dhe të rafinimit të naftës janë katalitike. Zhvillimi i teknologjive katalizuese dhe katalitike përcaktojnë kryesisht konkurrencën e produkteve petrokimike në treg. Prandaj, lind një pyetje urgjente për nevojën për të trajnuar specialistë të kualifikuar në fushën e katalizës për industrinë petrokimike.

Kataliza është një fenomen specifik. Nuk ka substanca që kanë veti katalitike në formën e tyre të përgjithshme. Çdo reaksion duhet të përdorë katalizatorin e vet specifik.

Aplikimi i katalizës në industrinë kimike. Proceset katalitike përdoren për të prodhuar hidrogjen, i cili shërben si lëndë e parë për sintezën e amoniakut dhe një sërë prodhimesh të tjera teknologjike kimike. Shndërrimi i metanit. Burimi më i lirë i hidrogjenit është gazi natyror. Faza e parë e prodhimit të hidrogjenit përfshin ndërveprimin e metanit me avujt e ujit me shtimin e pjesshëm të oksigjenit ose ajrit në një temperaturë prej 800 – 1000°C (reaksioni 2.1). Nikeli i depozituar në mbështetëset e oksidit të aluminit rezistent ndaj nxehtësisë (korundi - a-Al 2 O 3) përdoret si katalizator.

CH 4 + H 2 O ⇄ 3H 2 + CO (2.1)

CO + H 2 O ⇄ CO 2 + H 2 (2.2)

Si rezultat i këtij reagimi, monoksidi i karbonit formohet në sasi të konsiderueshme së bashku me hidrogjenin.

Konvertimi i CO. Ndërveprimi i monoksidit të karbonit me avujt e ujit kryhet në dy faza në rënie kushtet e temperaturës duke përdorur katalizatorë oksidi (reaksioni 2.2), i cili gjithashtu prodhon hidrogjen. Në fazën e parë u përdor një katalizator hekur-krom me temperaturë mesatare (435-475°C) (Fe 3 O 4 me aditivë Cr 2 O 3); në të dytën - një katalizator me temperaturë të ulët (230-280 ° C) (një përzierje e oksideve të aluminit, bakrit, kromit dhe zinkut). Përmbajtja përfundimtare e monoksidit të karbonit, prania e të cilit zvogëlon ndjeshëm aktivitetin e katalizatorëve të hekurit për sintezën e amoniakut, mund të reduktohet në të dhjetat e përqindjes.

Për të hequr CO mbetjet, ishte e nevojshme të përdoret larja komplekse e përzierjes së gazit me një zgjidhje amoniaku prej Cu 2 O nën presion të lartë prej 120-320 atm dhe temperaturë të ulët 5-20 ° C.

Në praktikë prodhimit industrial Pastrimi i emetimeve të gazit nga CO kryhet me metodën e përthithjes së tretësirave të kripërave Cu-amonium (formatet e bakrit dhe karbonatet), të cilat kanë aftësinë të formojnë komponime komplekse me CO. Meqenëse formatet nuk janë shumë të qëndrueshme, preferenca u jepet zgjidhjeve karbonate.

Kompleksi fillestar i bakrit karbonat-amonium ka këtë përbërje (kmol/m3): Cu + - 1,0 – 1,4; Cu 2+ - 0,08 – 0,12; NH 3 – 4,0 – 6,0; CO 2 - 2.4 - 2.6.

Kripërat monovalente të bakrit kanë një kapacitet absorbues për CO. Kationet Cu 2+, si rregull, nuk marrin pjesë në përthithje. Sidoqoftë, është e nevojshme të ruhet një përqendrim Cu 2+ në tretësirën prej të paktën 10 wt. % e përmbajtjes së Cu +. Kjo e fundit ndihmon në parandalimin e formimit të depozitave elementare të bakrit, të cilat mund të bllokojnë tubacionet dhe të prishin funksionimin e absorbuesit. Prania e kompleksit karbonat bakri-amoniak Cu 2+ në tretësirë e zhvendos ekuilibrin e reaksionit (1) drejt formimit të Cu +: Cu 2+ + Cu ⇄ 2 Cu + (1)

Tretësira e kompleksit të karbonatit të bakrit-amoniak që përdoret për thithjen e CO përmban 2 CO 3; CO 3; (NH 4) 2 CO 3; NH 3 dhe CO 2 pa pagesë.

Procesi i përthithjes së CO nga kompleksi karbonat-amonium i bakrit vazhdon sipas reaksionit: + + CO + NH 3 ⇄ + - DH (2)

Njëkohësisht me CO, CO2 absorbohet gjithashtu sipas ekuacionit:

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

Metanimi. Në lidhje me zhvillimin e një katalizatori aktiv të nikelit, operacioni kompleks i larjes mund të zëvendësohet në 250-350°C me një proces më të thjeshtë të shndërrimit të mbetjes së monoksidit të karbonit në metan, inert për katalizatorin e sintezës së amoniakut (reagimi 2.3):

CO + 3H 2 ⇄ CH 4 + H 2 O (2.3)

Kështu, zhvillimi i një katalizatori më aktiv bëri të mundur thjeshtimin e ndjeshëm të skemës teknologjike dhe rritjen e efikasitetit të prodhimit të amoniakut.

Aplikimi i katalizës në industrinë e përpunimit të naftës. Efektiviteti i përdorimit të katalizatorit doli të ishte aq domethënës sa që brenda pak vitesh ndodhi një revolucion i vërtetë teknik në industrinë e përpunimit të naftës, i cili, bazuar në përdorimin e katalizatorëve, bëri të mundur rritjen në mënyrë dramatike si rendimentin ashtu edhe atë. cilësinë e karburanteve motorike që rezultojnë.

Aktualisht, mbi 80% e naftës përpunohet duke përdorur procese katalitike: plasaritje, reformim, izomerizim dhe hidrogjenim i hidrokarbureve, hidrotrajtim i fraksioneve të naftës nga komponimet që përmbajnë squfur, hidrokrikim. Tabela 2.1 tregon proceset më të rëndësishme katalitike moderne në rafinimin e naftës.

Plasaritje. Plasaritja katalitike e vajit ose e fraksioneve të tij është një proces shkatërrues, i kryer në temperaturat 490-540°C mbi katalizatorët sintetikë dhe natyrorë aluminosilikat me natyrë acide, për të prodhuar benzinë me cilësi të lartë me një numër oktani 98-92. sasia e gazrave që përmbajnë hidrokarbure të ngopura dhe të pangopura C 3 - C 4, fraksione vajguri-gaz vaj, karbon të zi dhe koks.

Numri i oktanit (O.N.) është një tregues konvencional i rezistencës ndaj shpërthimit të lëndëve djegëse motorike të lehta (benzinë, vajguri) kur digjen në motorët me karburator. Karburanti i referencës është izooktani (U.N. = 100), heptani normal (U.N. =0). Numri oktan i benzinës është përqindja (në vëllim) e izooktanit në përzierjen e tij me n-heptan, i cili, në kushtet standarde të provës në një motor të veçantë me një cilindër, shpërthen në të njëjtën mënyrë si benzina që testohet.

Vitet e fundit, katalizatorët e bazuar në zeolite sintetike kristalore kanë marrë përdorim të gjerë industrial. Aktiviteti i këtyre katalizatorëve, veçanërisht i atyre që përmbajnë një përzierje oksidesh të elementëve të tokës së rrallë (CeO 2, La 2 O 3, Ho 2 O 3, Dy 2 O 3 dhe të tjerë), është dukshëm më i lartë se ai i katalizatorëve aluminosilikat amorfë.

Përdorimi i katalizatorëve bëri të mundur jo vetëm rritjen e shkallës së formimit të hidrokarbureve me peshë molekulare më të ulët nga naftenet me 500-4000 herë, por edhe rritjen e rendimentit të fraksioneve të vlefshme në krahasim me plasaritjen termike.

Plasaritja katalitike është procesi katalitik industrial me tonazh të lartë. Me ndihmën e saj aktualisht përpunohen mbi 300 milionë tonë naftë në vit, gjë që kërkon një konsum vjetor prej rreth 300 mijë tonë katalizatorë.

Reformimi. Reformimi katalitik kryhet në një temperaturë prej 470-520°C dhe një presion prej 0,8-1,5 MPa në Pt, Ri-katalizatorë të mbështetur në oksid alumini të trajtuar me klorur hidrogjeni për të rritur vetitë acidike. Reformimi është një metodë e përpunimit të produkteve të naftës, kryesisht benzinës dhe fraksioneve të naftës së naftës (hidrokarburet C 6 - C 9 të tre klasave kryesore: parafine, naftenike dhe aromatike) për të marrë benzinë motorike me oktan të lartë, hidrokarbure aromatike (benzen, toluen. , ksilen, etilbenzen) dhe hidrogjen teknik. Gjatë procesit të reformimit ndodhin reaksione: dehidrogjenimi i nafteneve në hidrokarbure aromatike, ciklizim i parafinave dhe olefinave dhe izomerizimi i hidrokarbureve ciklike pesë-anëtarësh në ato me gjashtë anëtarë. Aktualisht, reformimi katalitik përdoret për të përpunuar më shumë se 200 milionë tonë naftë në vit. Përdorimi i tij ka bërë të mundur jo vetëm përmirësimin e cilësisë së karburantit motorik, por edhe prodhimin e sasive të konsiderueshme të hidrokarbureve aromatike për industrinë kimike. Nënproduktet e reformimit katalitik janë gazi djegës, i përbërë kryesisht nga metani dhe etani, si dhe fraksioni i gazit të lëngshëm - propan-butan

Hidrotrajtimi i produkteve të naftës. Hidrogjeni është një nënprodukt i vlefshëm i reformimit katalitik. Ardhja e hidrogjenit të lirë ka bërë të mundur përdorimin e gjerë të hidrotrajtimit katalitik të produkteve të naftës nga komponimet që përmbajnë squfur, azot dhe oksigjen, me formimin e përkatësisht H 2 S, NH 3 dhe H 2 O lehtësisht të lëvizshme (reaksionet 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)

Në të njëjtën kohë, ndodh hidrogjenizimi i dieneve, gjë që rrit stabilitetin e produktit. Për këtë qëllim, katalizatorët më të përdorur janë ata të përgatitur nga oksidet e kobaltit (2–5 wt.%) dhe molibden (10–19 wt.%) ose oksidet e nikelit dhe molibdenit të mbështetur në γ-alumin.

Hidrotrajtimi bën të mundur marrjen e deri në 250-300 mijë tonë squfur elementar në vit. Për ta bërë këtë, zbatoni procesin Claus:

2H 2 S + 3O 2 ⇄ 2SO 2 + 2H 2 O (2.8)

2H 2 S + SO 2 ⇄ 3S + 2H 2 O (2.9)

Një pjesë e H 2 S oksidohet nga oksigjeni atmosferik në γ-Al 2 O 3 në 200-250°C (reaksioni 2.8); pjesa tjetër e H 2 S reagon me dioksid squfuri për të formuar squfur (reaksioni 2.9).

Kushtet për hidrotrajtim varen nga vetitë e lëndës së parë që pastrohet, por më së shpeshti shtrihen në intervalin 330-410°C dhe 3-5 MPa. Rreth 300 milion ton produkte të naftës (fraksionet e benzinës dhe vajgurit, karburanti dizel, distilat me vakum, parafinat dhe vajrat) i nënshtrohen hidrotrajtimit çdo vit. Zbatimi i fazës së hidrotrajtimit në rafinimin e naftës bëri të mundur përgatitjen e lëndëve të para për reformimin katalitik (benzinë) dhe plasaritjen (distilat me vakum), marrjen e vajgurit dhe karburantit me ndriçim me squfur të ulët, përmirësimin e cilësisë së produkteve (parafinat dhe vajrat) dhe gjithashtu kanë një efekt të rëndësishëm mjedisor, pasi ndotja e ajrit nga emetimet e shkarkimit është reduktuar gazrat gjatë djegies së karburantit motorik. Futja e hidrotrajtimit bëri të mundur përdorimin e vajrave me squfur të lartë për të marrë produkte të naftës.

Hidrokrikim. Kohët e fundit, procesi i hidrokrikingut, në të cilin kryhen njëkohësisht reaksionet e plasaritjes, izomerizimit dhe hidrotrajtimit, ka marrë një zhvillim të rëndësishëm. Hidrokrisja është një proces katalitik i shndërrimit të thellë të lëndëve të para të përbërjeve të ndryshme fraksionale në prani të hidrogjenit për të marrë produkte të lehta të naftës: benzinë, karburant avion dhe naftë, gazra të lëngshëm C 3 - C 4. Përdorimi i katalizatorëve polifunksionalë lejon që ky proces të kryhet në 400-450°C, një presion prej rreth 5-15 MPa. Katalizatorët e përdorur janë sulfuri i volframit, katalizatorë të përzier sulfidi tungsten-nikel në suporte, katalizatorë kobalt-molibden në oksid alumini, me shtesa të Ni, Pt, Pd dhe metale të tjera në zeolite amorfë ose kristalorë.

Tabela 2.1 – Proceset moderne të përpunimit katalitik të naftës

Izomerizimi. Për të përmirësuar cilësinë, benzinës i shtohet izomerat 10-15% peshë me një numër të lartë oktani. Izomerizati është një përzierje e hidrokarbureve të ngopura alifatike (nuk ka unaza në molekula) të izostrukturës (më shumë se 65 wt.% 2-metilbutan; izoheksane), të marra nga izomerizimi i alkaneve (parafina normale të ngopura). Lënda e parë për izomerizim është fraksioni i benzinës së lehtë i distilimit të drejtpërdrejtë të vajit, që zien në intervalin 62-85°C dhe që përmban kryesisht pentan dhe heksan, si dhe fraksionin (75-150°C) të përftuar nga plasaritja katalitike. Proceset e izomerizimit katalitik ndodhin në prani të katalizatorëve dyfunksionalë: platinit ose paladiumit në suporte të ndryshme acidike (γ-Al 2 O 3, zeolite), të nxitura nga halogjeni (Cl, F). Izomerizimi është shndërrimi i substancave organike në përbërje të një strukture të ndryshme (izomeria strukturore) ose me një rregullim të ndryshëm të atomeve ose grupeve në hapësirë (izomeria hapësinore) pa ndryshuar përbërjen dhe peshën molekulare.

Kështu, proceset katalitike zënë një pozitë udhëheqëse në rafinimin e naftës. Falë katalizës, vlera e produkteve të marra nga nafta është rritur disa herë.

Një mundësi më premtuese për metodat katalitike në rafinimin e naftës është braktisja e të qenësishme proceset moderne transformimi global i të gjitha përbërjeve komplekse që gjenden në vajra. Kështu, të gjitha përbërjet e squfurit i nënshtrohen hidrogjenolizës me çlirimin e sulfurit të hidrogjenit. Ndërkohë, shumë prej tyre kanë një vlerë të konsiderueshme të pavarur. E njëjta gjë është e vërtetë për përbërjet që përmbajnë azot, komplekset metalike dhe shumë komponime të tjera. Do të ishte shumë e rëndësishme që këto substanca të izoloheshin ose t'i nënshtroheshin transformimeve katalitike individuale për të marrë produkte të vlefshme. Një shembull është prodhimi i ekstraktuesve që përmbajnë squfur si sulfoksidet dhe sulfonet e formuara gjatë oksidimit katalitik të përbërjeve të squfurit që përmbahen në vaj dhe karburant bojler. Nuk ka dyshim se në këtë mënyrë katalizimi do të rrisë ndjeshëm efikasitetin e përpunimit të naftës.