催化剂培训材料培训课件PPT工业催化剂制备与使用.ppt

第五章 工业催化剂制备与使用 催化剂制造过程大致可分为三个阶段： 基体的生产 基体是已具备了催化剂所必要性质的组分。 在结构上各组分间的结合关系己具备了催化剂所需的物 理化学结构的雏型。 在工业生产中，常将已基本上除去了不必要的组分，且 有效组分间已形成初步结合的固体半成品称为基体。 成型 成型是将物料造成特定的几何形状和尺寸的工序。 它使最终产品能在机械强度上符合要求，在使用中符合 反应器中流体力学条件的要求。 活化 通过活化处理使基体转变为符合最终组成，结构要求的 催化剂。 催化剂的制备方法可分为干法与湿法 干法包括： 热熔法 混碾法 喷涂法 湿法包括： 胶凝法 沉淀法(包括共沉淀法、均匀共沉淀法和超均匀沉淀法) 浸渍法 离子交换法 沥滤法 湿法使用的较多 第一节 沉淀法 沉淀法是制备固体催化剂最常用方法之一， 广泛用于制备高含量的非贵金属、金属氧化物、 金属盐催化剂或催化剂载体。 沉淀法： 借助沉淀反应，用沉淀剂将可溶性的催化剂组分 转化为难溶化合物，再经分离、洗涤、干燥、焙 烧、成型等工序制成成品催化剂。 沉淀法制备催化剂比较复杂，影响催化剂效能 的因素较多，主要有： 沉淀温度 沉淀速度 搅拌方式和程度 老化作用 洗涤和除去可溶性盐 干燥速率 焙烧条件 共沉淀法 将催化剂所需的两个或两个以上的组分同时沉淀的 一个方法，可以一次同时获得几个活性组分且分布 较为均匀，称为共沉淀法。 为了避免各个组分的分步沉淀，各金属盐的浓度、 沉淀剂的浓度、介质的ph值以及其他条件必须同 时满足各个组分一起沉淀的要求。 沉淀法制备催化剂的工艺过程见下图 1、沉淀过程和沉淀剂的选择 沉淀作用是沉淀法制备催化剂过程中的第一步 ，也是最重要的一步，它给予催化剂基本的催 化属性，对所得催化剂的活性，寿命和强度有 很大的影响。 沉淀过程分三个阶段进行 过饱和 成核 长大 饱和度 如果在某一温度下溶质的饱和浓度为c，在过饱 和溶液中的浓度为c，则 s = cc称为过饱和度。 产生过饱和方法 通过蒸发提高溶液浓度； 或降低溶液的温度； 或提高ph值。 提高ph值的方法是最方便的方法。 加入碱性溶液提高ph值，常用的碱性物质是： 钠、钾、铵的氢氧化物 碳酸盐、碳酸氢盐 晶核的生成 溶液达到一定的饱和度后，生成固相的速率大于固 相溶解的速率，因而大量的晶核瞬时生成。 然后，溶质分子在溶液中扩散到晶核表面，晶核继 续长大为晶体。 l一般过渡金属氢氧化物沉淀的条件见下表： 晶核生成速率和晶核长大速率的相对大小，直 接影响到生成的沉淀物的类型。 若晶核生成速率大大超过晶核长大速率，则离子很 快聚集为大量的晶核，溶液过饱和度迅速下降，溶 液中没有更多的离子聚集到晶核上，于是晶核迅速 聚集成细小的无定形颗粒，这样就会得到非晶型沉 淀，甚至是胶体。 若晶核长大速率大大超过晶核生成速率，溶液中最 初形成的晶核不是很多，较多的离子以晶核为中心 ，依次排列长大而生成颗粒较大的晶型沉淀。 对沉淀剂选择有以下要求： 尽可能使用易分解并含易挥发成分的沉淀剂 常用的沉淀剂有： 碱类(nh4oh、naoh、koh) 碳酸盐(nh4)2co4、na2co4、co2 有机酸(乙酸、草酸)等 最常用的是nh4oh和(nh4)2co4，因为铵盐在洗涤和热处 理时容易除去，一般不会遗留在催化剂中，使催化剂纯 度得以提高。 形成的沉淀物便于过滤和洗涤 沉淀可分为晶型和非晶型两种，晶型沉淀又有粗晶 和细晶。 晶型沉淀带入的杂质少也便于过滤和洗涤。 应尽量选用能形成晶型沉淀的沉淀剂。 沉淀剂的溶解度应大些 提高阴离子的浓度，使金属离子沉淀完全； 沉淀剂溶解度大则吸附在沉淀物上的量就少，容易 洗涤。 形成沉淀物的溶解度应小些 沉淀反应愈完全、原料消耗愈小; 对于贵金属尤为重要。 无毒 不应使催化剂中毒或造成环境污染。 对金属盐类选择有以下要求： 一般选用硝酸盐的形式提供金属盐，硝酸根易于洗 脱或加热时分解而无残留。 而氯化物或硫化物残留在催化剂中，在使用时会呈 现h2s或hcl形式释放出来，致使催化剂中毒。 2、沉淀过程的影响因素 在沉淀过程中，沉淀的条件对催化剂的结构性 能或化学组成均有显著的影响。 工业沉淀系统的一般装置如下图 ph、温度和流量的控制一般是自动化的。 溶液的浓度 溶液浓度提高，过饱和度增大，有利于晶核生成。 沉淀应在适当稀释的溶液中进行-控制晶核生成速 率，利于晶核长大 沉淀的温度 当溶液中溶质数量一定时，升高温度过饱和度 降低，使晶核生成速率减小，而有利于晶核长 大。 降低温度，溶液的过饱和度增大，晶核生成的 速率提高。 溶液ph值 由于经常选用碱性物质作沉淀剂，所以ph值的 影响特别显著。 在生产上为了控制沉淀颗粒的均一性，有必要 保持沉淀过程的ph值相对稳定。 可以通过加料方式进行控制。 加料顺序 加料顺序分为顺加法、逆加法和并加法三种。 把沉淀剂加到金属盐溶液中称为顺加法； 把金属盐溶液加到沉淀剂中称为逆加法； 把沉淀剂和金属盐溶液同时按比例加到沉淀槽中称 为并加法。 用顺加法沉淀时，由于几种金属盐溶液的溶度积不同， 就会发生先后沉淀； 用逆加法沉淀时，在整个沉淀过程中ph值是一变值。 为了避免上述两类情况，要维持一定的ph值，使整个工 艺操作稳定，一般采用并加法。 将盐溶液及沉淀剂分放在高位槽中，在充分搅拌下按比 例同时放入沉淀槽中，保持ph值恒定下产生沉淀。 3、老化 沉淀反应结束后，沉淀物与溶液在一定条件下 接触一段时间，在这段时间内发生的一切不可 逆变化称为沉淀物的老化。 沉淀物与母液一起放置一段时间(必要时保持一定 温度)时，由于细小晶粒比粗晶粒溶解度大，溶液 对大晶体而言已达到饱和状态，对细小晶粒尚未饱 和，于是细小晶粒逐渐溶解，并沉积在粗晶粒上。 如此反复溶解、反复沉积的结果，基本上消除了细晶体 ，获得了颗粒大小较为均匀的粗晶体。 此时孔隙结构和表面积也发生了相应的变化。 由于粗晶体表面积较小，吸附杂质少，吸留在细晶 粒之中的杂质也随溶解过程转入溶液。 4、沉淀法制备催化剂示例 活性al2o3的制备： 8种变体 al2o3制备方法很多，多数情况都是先制成水合氧化 铝，然后将其转化为al2o3。 依据水合氧化铝制造方法的不同，活性氧化铝的制备也 有不同的类型。 酸中和法 酸中和法是用酸(hno3)或co2气体等为沉淀剂，从 偏铝酸盐溶液中沉淀出水合氧化铝： al(oh)3 + naoh = naalo2+2h2o alo2 + h3o+ = al2o3nh2o 将偏铝酸钠溶液、硝 酸溶液和水并流加入 沉淀器中反应，生成 的沉淀物经过滤、洗 涤、干燥、粉碎和机 械成型，最后经500 焙烧活化得到-al2o3 。 该法生产设备简单、 原料易得且产品质量 稳定。 碱中和法 将铝盐溶液al(no3)3、alcl3 、al2(so4)3等用氨水或其它 碱液( naoh、koh、nh4oh )中和，得到水合氧化铝： al3+ + oh = al2o3nh2o 将配制好的三氯化铝溶液先 导入沉淀器中，在搅拌下加 入氨水，反应完毕后即可进 行过滤和洗涤，水洗后的滤 饼在40、ph9.39.5下老 化14小时，老化后滤饼经成 型、干燥、焙烧得-a12o3。 5、均匀沉淀、超均匀共沉淀与凝胶法 这三种方法都是沉淀法制造催化剂特殊例子。 、均匀沉淀法 在待沉淀的溶液中加入某种试剂，并充分混和，造 成一个十分均匀的液相体系。 调节温度，使该试剂以均匀速率产生沉淀剂的离子 或改变溶液ph值，从而得到均匀的沉淀物。 例如，为了制取氢氧化铝沉淀，可在铝盐中加入尿素， 均匀混合后加热到363373k，溶液中有如下反应： (nh4)2co4 + 3h2o = nh4+ + co2 + oh 由于溶液中各处的尿素均匀地释放出oh离子，于是， 氢氧化铝沉淀可在整个体系内均匀地形成。 、超均匀共沉淀法 超均匀共沉淀法原则是将沉淀操作分两步进行 首先是制备盐溶液的悬浮层，并将这些悬浮层（不 只一层）立即混合成为超饱和溶液，然后由此超饱 和溶液得到均匀沉淀。 两步之间所需时间，随溶液中的组分及其浓度而变 化，通常需要数秒或数分钟，有的需几小时。 这个时间是沉淀的引发期。在此期间，超饱和溶液 处于介稳状态，直到形成沉淀的晶核为止。 立即混和是操作的关键，掌握好此步可防止生成多 相结构和多相组成的沉淀。 例如，用超均匀共沉淀法制备硅酸镍化剂。 先将硅酸钠溶液（密度为1.3gcm3）放入混和器 ； 再将20的硝酸钠溶液（密度为1.2gcm3）慢慢 倒至硅酸钠溶液之上； 最后将含有硝酸镍和硝酸的溶液（密度为1.1g cm3）慢慢倒于硝酸钠溶液之上。 立即开动搅拌机，使其成为超饱和溶液。 放置数分钟至几小时，便能形成超均匀的水凝胶式 胶冻。 分出水凝胶后经水洗、干燥 和焙烧即得所需催化剂。 、凝胶法 凝胶与沉淀在化学性质上是密切相关的过程， 但在产品的物理性质上则有很大区别。 沉淀过程中得到的是晶型沉淀。 凝胶过程中得到的是体积庞大、疏松、含水较多的 非晶型沉淀。 实际上是一些胶体粒子互相凝结、固化而形成的立体网 络结构，经脱水后就可得到多孔性大表面的固体。 凝胶法特别适用于主要成分是氧化铝或二氧化 硅的催化剂或载体。 凝胶过程大致可分为缩合与凝结二个阶段 缩合就是溶质分子或离子缩合为胶粒(1100纳米) ，胶粒分散在溶剂介质中，称为溶胶。 当溶剂介质为水时，就称为水溶胶。 凝结就是胶粒间进一步结合转变为三维网络骨架， 失去了流动性，形成了湿凝胶； 它进一步老化、干燥转变为干凝胶。 硅胶(sio2)、铝胶(a12o3)、硅铝胶(sio2a12o3) 等都是通过凝胶法生产的。 第二节 浸渍法 浸渍法是将载体浸泡在含有活性组分（主、助催化剂 组分）的可溶性化合物溶液中，接触一定的时间后除 去过剩的溶液，再经干燥、焙烧和活化制得催化剂。 浸渍法是制备负载型催化剂，特别是贵金属催化剂的 最主要过程。 优 点： 负载组分主要分布在载体表面，用量少，利用率高（ 对于贵金属催化剂尤其重要） 市场上有各种载体供应，可以用已成型的载体，省去 催化剂成型步骤，而且载体种类很多、物理结构清楚 ，可根据需要选择合适的载体 浸渍法制备催化剂的流程 1、载体选择 浸渍法首先要选择合适载体，根据用途可选择 粉末状载体 成型载体 根据反应类型特点选择不同性质的载体 外扩散控制 不需比表面较大的载体； 内扩散控制 载体孔径不宜过小； 阻挡反应物分子进入孔道内部； 生成物返回气相受阻。 选择载体 机械强度高 载体为惰性，与浸渍液不发生化学反应 合适的颗粒形状与尺寸，适宜的表面积、孔结构等 足够的吸水性 耐热性好 不含催化剂毒物和导致副反应发生的物质 原料易得，制备简单，无污染 载体的选择因反应不同而异： 如，乙烯精制去除少量乙炔（加氢）： pd / -al2o3 对载体的要求： 低比表面积、大孔径 （使乙炔加氢产物乙烯尽快脱离催化剂表面） 无酸性（防止烯、炔的聚合反应，延长催化剂寿命 ） 载体的预处理 ： 焙烧 酸化 钝化 扩孔 氧化铝的焙烧 常见催化剂载体类型 2、浸渍液的配制 活性组分金属的易溶盐 硝酸盐、铵盐、有机酸 盐（乙酸盐、乳酸盐） 易溶于水或其它溶剂； 焙烧时能分解成所需的活性组分，或在还原后变成金属活 性组分； 能使无用的组分，特别是对催化剂有毒的物质在热分解或 还原过程中挥发除去。 浸渍液浓度： 催化剂中活性组分含量（以氧化物计） 载体比孔容，ml/g浸渍液浓度（以氧化物计），g/ml l 浓度过高，活性组分在孔内分布不均匀，易得到较粗的金属颗 粒且粒径分布不均匀 l 浓度过低，一次浸渍达不到要求，必须多次浸渍，费时费力 浸渍过程 固体孔隙与液体接触时 ，由于表面张力的作用 而产生毛细管压力，使 液体渗透到毛细管内部 活性组分在载体表面的 吸附 critical, tendency towards “egg-shell“ catalyst 3、浸渍方法 过量浸渍法：将载体浸渍在过量溶液中，溶液体积大于载体 可吸附的液体体积，一段时间后除去过剩的液体，干燥、焙烧 、活化 bucket conveyor drip chute bucket drive wheel bucket filter tipper to drying impregnating solution impregnating basin wet impregnation： 用于成型的大颗粒或多组份的分段浸渍 等体积浸渍法：预先测定载体吸入溶液的能力，然 后加入正好使载体完全浸渍所需的溶液量（实际采用 喷雾法把配好的溶液喷洒在不断翻动的载体上，达 到浸渍的目的） 可以省去过滤多余的浸渍液的操作； 便于控制催化剂中活性组分的含量。 impregnating solution spray header support to be impregnated rotating drum 多次浸渍法 将浸渍、干燥、焙烧反复进行数次。 工艺复杂，成本大大提高。 使用场合： 1. 浸渍化合物溶解度小，一次浸渍达不到足够大的负载量 2. 多组分浸渍时，竞争吸附严重影响各组分在载体表面上的分布 3. 多组分浸渍时，各组分的可溶性化合物不能共存于同一溶液中（分步浸渍） 浸渍沉淀法：使载体先浸渍在含有活性组分的溶液中一段时间后， 再加入沉淀剂进行沉淀 使用场合：制备贵金属催化剂（除去氯离子） 贵金属浸渍液多采用氯化物的盐酸溶液（氯铂酸、氯钯酸、氯铱酸、氯金酸，载体在浸渍 液中吸附饱和后，加入naoh溶液中和盐酸，并使金属氯化物转化为金属氢氧化物沉淀在载体 的内孔和表面上 蒸气浸渍法：借助浸渍化合物的挥发性，以蒸气相的形式将其负载 于载体上 例：制备正丁烷异构化催化剂alcl3/铁矾土 在反应器中装入铁矾土载体，然后以热的正丁烷气流将活性alcl3组分汽化，并带入反应器 ， 使之浸渍在载体上。当负载量足够时，便可切断气流中的alcl3，通入正丁烷进行异构化反应 4、浸渍条件的影响 浸渍时间 increasing impregnation time pt/al2o3al2o3 impregnation of -alumina with pt (from h2ptcl6) impregnation of -alumina with ni (from 1.0 m ni(no3)2) 浸渍液浓度 impregnation of -alumina with ni (from ni(no3)2)，浸渍时间 0.5 h 低浓度浸渍溶液和较长浸渍时间有利于活性 组分在载体孔内均匀分布 5、活性组分在载体上分布的控制 浸渍 浸渍液中活性组分的含量要多于载体内外表面能吸附 的活性组分的数量，以免出现孔外浸渍液的活性组分 己耗尽的情况； 或者采用稀溶液进行多次浸渍。 分离 分离出过多的浸渍液后，不要立即干燥，静置一段时 间，让吸附、脱附、扩散达到平衡，使活性组分均匀 地分布在孔内的孔壁上； 干燥 采用快速干燥法，使溶质迅速析出。 influence of coadsorbing ions 竞争吸附法 abc increasing citric acid concentration pt/al2o3al2o3 impregnation of -alumina with pt (from h2ptcl6) uniform egg-shell egg-white egg-yolk a b c d active phase/supportsupport active phase distributions 外扩散动力学有毒物 浸渍后的热处理 干燥过程中活性组分的迁移 static drying drying at low flowrate freeze drying 焙烧与活化 固相互溶体与固相反应 6、浸渍法制备催化剂示例 (1) 乙烯空气氧化制环氧乙 烷用银催化剂 将乳酸、过氧化钡、硝酸 亚铈和新制的碳酸银加在 一起，再加入过量的h2o2 溶液，生成橙黄色乳酸银 溶液， 取一定量的刚玉球状载体 预热后，于90100下 在乳酸银溶液中浸渍， 过滤， 再经干燥、焙烧、活化、 热处理即成催化剂。 (2) 催化重整pt-a12o3催化剂 首先用水浸湿条形-a12o3 (直径为1.21.6mm左右)载体； 加入一定量的氯铂酸和盐酸浸渍。 溶液逐渐褪色，几小时后铂的剩余浓度达到100ppm左右。 然后将催化剂沥干，氯铂酸-盐酸溶液循环使用。 再经干燥及在500以上的空气中焙烧即得催化剂。 第三节 滚涂法和喷涂法 喷涂法 浸渍法 滚涂法 共混合法 1. 滚涂法 将活性组分放在一个可活动的容器中，将载体布于其上，经 过一段时间的滚动，活性组分逐渐粘附在载体上。 粘合剂 多次滚涂 缺点： 涂层剥落，催化剂失活； 剥落产生的粉末下沉到催化剂床层的下游，会引起气流的 堵塞和流向的改变。 滚涂法制备环氧乙烷银催化剂 agno3 右旋葡萄糖水溶液 溶解 koh溶液 沉淀 洗涤 分为两份 混合 ba(oh)22h2o细粉末 滚涂 刚玉球 二次滚涂干燥备用 2、喷涂法 喷涂法操作与滚涂法类似，但活性组分不是同 载体混在一起，而是用喷枪或其他手段喷附于 载体上。 丙烯腈生产所用磷钼铋薄层催化剂： 将磷钼铋活性组分同粘合剂硅溶胶混在一起，用喷枪射 到转动容器中的预热的载体刚玉球上。 喷涂法中加热条件十分重要，对喷涂效果影响 很大。 将几种催化剂组分机械混合在一起制备多组分催化剂 ，混合的目的是促进物料间的均匀分布，提高分散度 特点：设备简单，操作方便，但分散性和均匀性较差 分类：干混法；湿混法（某一物料为溶液或含水沉淀物） 第四节 混合法 例：固体磷酸催化剂 100份硅藻土中加 入300-400份90%的正磷酸和30份石墨 so2接触氧化的钒催化剂，用混合法制备。 按比例将koh饱和溶液与v2o5混合，待v2o5全部溶 解后，加水调节浓度(约200gl)，除去氢氧化铁 等杂质后，将钒盐溶液用硫酸中和，调节ph在2 4之间，得到v2o5k2so4混合浆液备用。 按一定比例将v2o5k2so4浆液与精制硅藻土倒入 轮碾机，加适量水充分碾压成可塑性物料。 为增加催化剂的孔隙率，在混合的同时，加入一定 量的硫磺； 煅烧时生成so2，它逸出后在催化上上留下孔隙。 将碾压好的物料挤条成型为圆柱状，经干燥、煅烧 后，冷却、过筛、气密包装即得成品。 该催化剂寿命长，未粉化时可使用10年。 例：铁-铬-镁系co 变换催化剂的制备 第五节 熔融与沥滤法 1、熔融法 在高温下将催化剂组分的熔化，使之成为均匀的混合 体、合金固溶体或氧化物固溶体。 优点：催化剂活性高、机械强度高且生产能力大 缺点：比表面积小、孔容低、通用差 用途： 合成氨的熔铁催化剂 ft合成催化剂 甲醇氧化的zn-ga-al合金催化剂 raney型骨架催化剂的母体等 2、沥滤法 沥滤法是制备骨架催化剂的一种方法。 骨架催化剂（raney催化剂）: 在制备过程中用碱除去不具 催化活性的金属而形成骨架，活性金属原子在其中均匀地 分散于其中。 常用于加氢、脱氢反应中。 金属分散度高，催化活性高。 常用的是raney ni，此外还有raney co、raney fe、 raney cu等。 一般ni含量为42 50，al含量 为5058 11731273k 过筛 2al 2naoh + 2h2o na2al2o4 + 3h2 第六节 离子交换法 利用载体表面上存在可交换离子，将活性组分通过离子交换 负载到载体上，然后经洗涤、干燥、焙烧等处理制得催化剂 特点：分散性好、活性高，尤其适用于制备低含量、高利 用率的贵金属催化剂和酸碱催化剂 硅酸铝 晶粒极细 na型离子交换树脂 h+交换 h型离子交换树脂 酸碱催化剂 na型分子筛 nh4+、 碱土金属离子 、 稀土金属离子 、 贵金属离子等 交换 分子筛催化剂 第七节 溶胶凝胶法 溶胶-凝胶（sol-gel）法是一种新兴的催化剂制备方法！ 用于制备金属氧化物催化剂、杂多酸催化剂、非晶态催化剂等 four main steps in the solgel preparation 胶体化学简介 溶胶 分散在分散介质中的分散相颗粒粒径为1-100 nm的分散系统 粗分散系统胶体系统分子分散系统 100 nm 100-1 nm 1 nm 分散法 凝聚法 大变小 小变大 溶胶的制备： 分散法：利用机械设备、气流粉碎、电弧和胶溶等方法 将较大颗粒分散成胶体状态 凝聚法：利用物理或化学方法使溶液中的溶质（分子或 离子）聚集成胶体粒子 胶溶：在新生成的沉淀中，加入适合的电解质（hcl、hno3等） 或置于某一温度下，通过胶溶作用使沉淀重新分散成溶胶 如，复分解法制备盐类溶胶：agno3 + ki agi (溶胶) + kno3 水解法制备金属氧化物溶胶：fecl3 + 3h2o（煮沸） fe(oh)3 (溶胶) + 3hcl 胶团的结构： 扩散双电层结构 (h2sio3)m nsio32- 2(n-x)h+ 2x- 2xh+ 胶核 吸附层 扩散层 胶体粒子（胶粒） 胶团 (agi)m nag+ (n-x)no3- x+ xno3- 溶胶稳定的因素： 胶粒带电；溶剂化膜；布朗运动 消除或减弱溶胶稳定的因素，将导致溶胶的聚沉或 胶凝（可视为一种特殊的沉淀过程） 凝胶 溶胶通过胶凝作用，胶体粒子相互凝结或缩聚而形成三维网 状结构，从而失去流动性而生成的一种体积庞大、疏松、含有大量 介质液体的无定形沉淀 溶胶的胶凝过程影响因素： 加入电解质（适量可促进胶凝） 溶胶浓度（越高越易胶凝） 温度（一般越高越易胶凝） ph值（越高可促进氢氧化物溶胶胶凝） 凝胶特征：分散相（网状结构）与分散介质（水）均为连续相 凝胶脱水后可得多孔、大比表面的固体材料 sol-gel法制备催化剂的过程 （加水）金属醇盐水解 （加胶溶剂）胶溶 陈化胶凝 干燥焙烧 金属醇盐 的母醇溶液 金属氧化物或 水合金属氧化物 溶胶 凝胶 催化剂 金属醇盐胶溶法制备催化剂的sol-gel过程 将易于水解的金属化合物（金属盐、金属醇盐或酯）在某 种溶剂中与水发生反应，通过水解生成金属氧化物或水合金属 氧化物，胶溶得到稳定的溶胶，再经缩聚（或凝结）作用而逐 步胶凝化，最后经干燥、焙烧等后处理制得催化剂 金属醇盐 金属醇盐常用其母醇作溶剂进行溶解（因一般金属醇盐 在水中溶解度较小，且醇与水和金属醇盐都互溶） 如，异丙醇铝溶于异丙醇中，仲丁醇铝溶于仲丁醇中 醇的加入量应适当（过多延长水解和胶凝时间；过少易 出现聚沉而得不到高质量凝胶） 同一金属的不同醇盐的水解速率不同 如，用si(or)4来制备sio2溶胶：烷基中c原子数越多 ，水解速率越低（因此常用si(oc2h5)4 ） 制备多组分氧化物溶胶时，应尽量选择水解速率相近的 各醇盐（同步水解） 溶胶均匀性 水解 金属醇盐在过量水中完全水解，生成金属氧化物或水合金属氧化 物沉淀（水解同时伴有缩聚反应，形成不同大小和结构的胶粒） 水解反应： 缩聚反应： 水的加入量（ sol-gel法的关键参数） 直接影响溶胶粘度、溶胶向凝胶转化以及凝胶干燥等 水解温度（越高水解速率越快） 制备多组分氧化物溶胶时，应保持各醇盐水解速率相近（同 步水解） 溶胶均匀性 胶溶 胶凝 向水解产物中加入一定量胶溶剂（hcl、hno3、ch3cooh等），使 沉淀重新分散为大小在胶体范围的粒子，从而形成金属氧化物或 水合氧化物溶胶 加入胶溶剂，粒子表面形成双电层 酸的种类及加入量 直接影响胶粒大小、溶胶粘度和流动性等溶胶性能 溶胶质量影响最终催化剂的结构与性能 如，胶粒大小决定催化剂最小孔径；胶粒粒径分布及胶 粒形状决定催化剂孔径分布及孔的形状等 在一定条件下，溶胶胶粒相互凝结或缩聚，逐渐连接形成三 维网状结构，把所有液体都包进去，成为冻胶状的水凝胶 凝胶的干燥 一般干燥法 现象： 持续收缩和硬化、产生 应力和破裂 （孔中气液两相共存， 由于表面张力作用产生 毛细管力。毛细管力将 颗粒挤压而团聚。而且 由于各处毛细管力不等 ，使得凝胶孔壁塌陷、 网状结构破坏） 改进办法：空气中自然干燥（干燥速度要慢） 超临界（流体）干燥法 单组分物质的相图 超临界状态：流体的温度和压 力处于临界点（临界温度和临 界压力）以上的无气液界面而 兼有气体性质和液体性质的物 质状态 超临界干燥：在高压釜中使被 除去液体处于超临界状态，从 而消除了表面张力和毛细管力 ，凝胶中的流体可缓慢脱出， 不影响凝胶骨架结构，从而得 到小粒径、大孔容、高比表面 的超细氧化物（co2常作超临界 干燥介质） 处于气液平衡的物质升温升压时（沿 tc线变化），热膨胀使液相密度减小 ，加压使气相密度增大。当温度和压力 超过某一临界点时，气液分界面消失， 体系性质变得均一而不再分气体与液体 如 co2：tc = 31.3 oc，pc = 7.15 mpa 冻结干燥法 微波干燥法 真空干燥法 一种稳定化的物料干燥过程。将湿物料冻结成固态，然后 在较高真空下使冰直接升华变成气态排除 一种深入到物料内部由内向外的加热方法 优点：加热速度快；无温度梯度，加热均匀；热效率高等 在负压条件下对样品加热干燥 优点：低温干燥 实例：负载型钨磷酸hpwa/sio2催化剂 加水、40oc下水解1h 混合、 80oc、3h 真空干燥，45oc 干燥，150oc、12h si(oc2h5)4 sio2溶胶 凝胶 干凝胶 催化剂 hpwa的乙醇溶液 溶胶-凝胶法制备催化剂的优点 可以制得组成高度均匀、高比表面的催化材料 制得的催化剂孔径分布较均匀，且可控 可以制得金属组分高度分散的负载型催化剂， 催化活性高 微乳化技术 第八节 微乳化制备技术 微乳液： 由两种互不相溶液体在表面活性剂作用下形成的热力学稳定、 各向同性、外观透明或半透明、粒径在10-100nm间的分散体系 与普通乳状液的比较： 用于制备纳米催化剂（负载型金属纳米催化剂、金 属氧化物纳米催化剂、复合氧化物纳米催化剂等） 微乳液（体系）组成： 有机溶剂：c6 c8直链烃或环烷烃 水（溶液） 表面活性剂：阴离子 aot（琥珀酸二异辛酯磺酸钠） sds （十二烷基硫酸钠） sdbs （十二烷基磺酸钠） 阳离子 ctab（十六烷基三甲基溴化铵） 非离子 triton-x （聚氧乙烯醚类） np（壬基酚聚氧乙烯醚） 助表面活性剂：中等碳链c5 c8的脂肪醇 （有些体系可不加） 微乳液（体系）的制备： schulman法：把有机溶剂、水和表面活性剂混合均匀，然 后再滴加助表面活性剂，直至体系突然变透明 shah法：把有机溶剂、表面活性剂和助表面活性剂混合均匀 ，然后加入水，体系在瞬间突然变透明 微乳液（体系）的类型： o/w（水包油）型：油分散在水中 w/o（油包水）型：水分散在油中 纳米催化剂制备常用 水核（微乳液滴）被表面活性剂和助表面活性 剂所组成的界面膜所包围，尺度小（可控制在 几个或几十纳米之间）且彼此分离，故可视为 一个“微型反应器”或“纳米反应器” 反 相 微 乳 液 微乳液技术制备纳米（超细）催化剂 具体方法 将制备催化剂的反应物溶解在微乳液的水核中，在剧 烈搅拌下使另一反应物进入水核进行反应（沉淀反应、氧 还反应等），产生催化剂的前驱体或催化剂的粒子，待水 核内的粒子长到最终尺寸，表面活性剂就会吸附在粒子的 表面，使粒子稳定下来并阻止其进一步长大。 反应完全后加入水或有机溶剂（丙酮、四氢呋喃等） 除去附在粒子表面的油相和表面活性剂，然后在一定温度 下进行干燥和焙烧，制得纳米催化剂 微乳内形成纳米（超细）粒子的三种情况 水核内发生反应 生成的粒子被限 定在水核内 水核半径决定所 得粒子的粒径大 小 通过控制水核半 径，就可制备不 同粒度的纳米催 化剂 影响生成纳米粒子的因素 w/o值 反应物浓度 表面活性剂种类及浓度 助表面活性剂种类及浓度 温度 水与表面活性剂的摩尔比，用来表示反相微乳的含水量 w/o 水核半径 纳米粒子 w/o 水核形状 粒子形状（球状、柱状、线状） w/o 界面膜强度 纳米粒子 第九节 催化剂的成型 催化剂常用的形状有： 圆柱状、环状、球状、 片状、网状、粉末状、 条状及不规则状。 特殊形状： 碗状、三叶状、四叶状、车轮状、蜂窝状及膜状等。 常用的反应器床层为： 固定床、流化床、移动床和悬浮床。 工业上，固定床使用柱状、片状、球状及不规 则状等直径在4mm以上的催化剂。 一般固定床中： 球形催化剂阻力最小，不规则催化剂阻力甚大； 球形填装量最高，其次是柱形。 流化床使用直径在20150m球形催化剂，要求催 化剂具有高的耐磨性。 移动床催化剂颗粒为34mm大小。 悬浮床催化剂颗粒直径在1m到1mm之间。 催化剂的成型方法常用的有压片法、挤条法、 转动造粒法和喷雾干燥法等。 一、压片成型法 压片成型法是把催化剂半成品粉末加压制片。 压片时，为增加催化剂的比表面和颗粒体积，可加 入适量惰性添加剂。 为使粉末颗粒间结合良好，可加入粘合剂，如糊精 、硬脂酸、醋酸纤维素等。 为了减少压片过程中的阻力和便于脱模，常加入润 滑剂，如石墨等，润滑剂在燃烧过程中可以氧化除 掉，留下一定孔隙。 压片法制得的产品具有形状一致、大小均匀、 表面光滑、机械强度高等特点。 可适用于高压、高流速固定床反应器。 压片成型操作压力会影响催化剂的机械强度。 二、挤条成型法 挤条成型是将催化剂的粉末或混料加入适量粘合剂充 分混合，从成型机的网或孔眼挤出，将挤出的条切断 、干燥、煅烧得柱状催化剂。 挤出成型常用水作粘结剂，粉末越细，加入的粘结剂量越 多，浆料越易流动成型。 挤出成型可得到固定直径，长度则可在较宽范围变化的颗 粒，还能生产13mm粒径的颗粒。 挤条成型法与压片成型法相比，生产能力大，但所得 产品的强度比压片法差。 适用于低压、低流速的催化反应。 三、转动造粒法 转盘式造粒 所得球形产品的大小与转盘的倾斜角度、转盘深度 、转动速度、粘结剂性质等有关。 操作时要保证在颗粒上干燥了的浆液堆积在小颗粒 上能形成球形物料；要防止二个或多个球粒互相粘 结；还要避免产生像洋葱表面那样易剥落的非粘结 性涂层。 球形整粒 成型机通常是与挤出成型机合并使用，在挤出机中 挤出圆柱状，然后在整粒机中使之球形化。 四、喷雾成型和油柱成型 喷雾成型和油柱成型是利用物料的自身表面张 力，收缩成微球或小球。 喷雾成型是把料浆高速通过喷头分散到高温气流中 ，同时失水成干燥微球。 油柱成型是将溶胶滴入油类中，利用介质和溶胶本 身的表面张力将物料切割成小滴并收缩成小球。 1、喷雾成型 喷雾干燥器广泛用于流化床催化剂和某些小粒 度催化剂或载体的加工。 例如：微球硅胶或氧化铝。 影响喷雾干燥器的操作因素很多。 包括温度、采用的气体类型、喷雾干燥器的高度与 直径等，这些因素直接影响颗粒粒度和粒度分布。 改变操作条件及选用适当的雾化器（喷嘴）， 很容易调节或控制产品的粒度和粒度分布等质 量指标。 喷雾干燥器结构见下图 2、油柱成型 油柱成型常用于生产高纯度氧化铝球、微球硅 胶和硅酸铝球等。 例如，先将一定ph值及浓度的硅溶胶或铝溶胶喷滴 入加热了的矿物油中，溶胶滴收缩成珠，形成球状 的凝胶。 得到的凝胶经水洗后干燥，并在一定的温度下加热 处理，制得球状硅胶或铝胶。 微球的粒度为50500m； 小球的粒度为25mm。 常用的矿物油为比重小于水的石油系液体烃类 煤油 轻油 变压器油 喷雾成型和油柱成型所得的微球产品，形状规 则，表面光滑，具有良好的机械强度。 油柱成型根据成球颗粒在矿物油中移动方式分 为： 滴下式成球 上浮式成球 第十节 催化剂的热处理与活化 活化是将催化剂经过一定方法处理后，使其转 化为催化反应所需要的活性物相和结构等。 一、干燥 干燥常指热能使物料中湿分气化，从而将湿分 除去的过程。 本课程所说的干燥是指固体物料的脱水过程，水分 从固体内部借扩散作用而达到表面，再从固体表面 借热能气化而除掉。 1、物料的分类 物料与水分结合状态不同，对干燥的进行有明 显影响。 物料和水分结合方式通常可分成三类： 化学结合水 是指参与粉体物料结晶的水分。 结晶水不能用普通的干燥方法除去，必须用焙烧等 处理方法才能完全除去。 物化结合水 属于这类的有吸附水、渗透水及结构水分。 其中以吸附水与物料结合的强度最大，但在胶体毛 细管多孔物质中，渗透水和结构水分的量要远较吸 附水量为多。 水分的除去主要是由于蒸发、受外压或因物料组织 破坏。 机械结合水（自由水） 包括毛细水、润湿水及孔隙水； 它们与物料的结合强度较弱，容易用蒸发的方法除 去。 2、干燥过程 干燥前期制备过程（湿混、沉淀、浸渍等）会使微孔 内部的水分多于表面的水分，形成内部高、外部低的 含水率梯度。 干燥时被干燥的孔隙物质还具有温度梯度，即外高内低的 梯度，迫使水分由内向外移动。 湿物料在干燥介质中，通过热交换，表面水分首先向 周围介质蒸发，并借助于干燥介质的不断流动和扩散 作用，使蒸发过程连续进行。 物料表层水分的连续蒸发，内部水分便通过扩散和渗 透作用，源源不断地流向表层，使含水物料达到干燥 目的。 干燥过程中排出水分的多少与快慢、湿物料的 温度变化及干燥介质的温度变化等情况，可用 干燥过程曲线描述。 升速阶段： 随着干燥时间的增加，干燥速度逐渐加快。 该阶段时间长短取决于物料的厚度，厚度越大，时间越 长。 等速干燥阶段： 物料温度保持恒定，干燥速度固定不变。 随着物料水分的不断排出，坯体逐渐收缩，收缩的体积 一般与所排出水的体积相当。 降速干燥阶段： 干燥速度随时间的增加而逐渐下降，直至终止。 物料温度逐渐增高，最后达到介质温度。此外，随着粉 体粒子相互靠拢及水分排出，气孔率不断增加。 根据上述干燥过程，湿物料的水分运行分两步 进行: 第一步是水分由湿物料或坯体内部移到表面（内 扩散）； 第二步是移到表面的水分蒸发为空气所吸收（外 扩散）。 3、外扩散及内扩散 外扩散 湿物料或坯体干燥时水分由表面蒸发至周围介质 的过程。 内扩散 湿物料表面水分不断蒸发，必然导致水分由内层 不断向表层迁移补充。水分由内部迁移至表面的 过程称为内扩散。 湿物料或坯体干燥可采用三种方式： 低湿高温干燥 低温程序升温干燥 控制湿度干燥 低湿高温干燥 采用低湿度热空气作介质，使整个干燥过程中，湿物 料始终处于湿度低、温度高的干燥环境中。 表面水分蒸发快，传到坯体内部的热量较少； 容易形成内低外高的温度梯度，引起热扩散方向向内而阻 碍内扩散的顺利进行，以至内扩散速度赶不上外扩散对水 分蒸发的要求，造成坯体“干面”、产生裂缝及变形现象。 该法只适应薄壁及颗粒不大的制品。 低温程序升温干燥 使热空气始终保持低湿度，而介质温度逐渐升高下进 行干燥操作。 可使坯体的干燥速度由小至大渐进增加，从而减小坯体的 内外温差及扩散阻力，以保证坯体的内外扩散速度的相互 适应，避免因内外扩散不平衡而造成催化剂内部孔结构差 异较大或其它缺陷。 该法适用于大而厚的、或添加孔结构改性的制品干燥 。 控制湿度干燥 通过对干燥介质湿度的控制，合理调节坯体在不同干 燥阶段的速度。 该法适用于孔结构需要特别控制的载体或厚而大厚的 坯件的干燥。 干燥常在80200下进行。 常用的催化剂干燥设备 箱式干燥器 回转干燥器 履带式干燥器 薄膜干燥器 扒式干燥器 喷雾干燥器 箱式干燥器示意图 回转干燥器示意图 二、煅烧（焙烧） 1、煅烧与干燥的区别 干燥是脱去游离水的过程，常在80200下 进行。 在干燥过程中，水从颗粒外表面蒸发除去，而颗 粒内部水通过小孔和大孔向外表面扩散。 由于颗粒内部和外部干燥速度不同，以及干燥物 料的收缩，在干燥过程中会出现龟裂或结壳。 为防止出现这一问题，可加入表面活性剂低分子醇和纤 维素等。 煅烧是继干燥之后的加热处理过程，其煅烧温 度不低于催化剂的使用温度。 在煅烧过程中催化剂发生化学变化和物理变化。 煅烧的主要目的有： 使催化剂具有稳定的活性、除掉易挥发的组分而保留一 定的化学组成； 使催化剂得到一定晶型、晶粒大小、孔隙结构和比表面 ； 提高催化剂机械强度。 2、焙烧 焙烧是成型后已经干燥的催化剂在加热炉内按 一定的升温速度进行加热的热处理过程。 通常将300以下称为低温焙烧，300700 为中温焙烧，700以上为高温焙烧。 焙烧目的： 通过热分解反应除去物料中易挥发组分及化学 结合水，使载体物料转化为需要的化学组成，形 成稳定的结构。 通过焙烧时发生再结晶过程，使催化剂获得一 定的晶型、晶粒大小、孔结构及比表面。 通过微晶烧结，提高机械强度。 3、焙烧过程中的化学变化 (1) 热分解 在除去结合水和挥发性杂质（如no2、nh3、co2） 的同时生成相应的氧化物。 煅烧过程一般为吸热反应，提高温度有利于煅烧时分解 反应的进行； 降低压力亦有利。 (2) 互溶与固相反应 在热处理过程中活性组分和载体之间可能生成固体 溶液(固溶体)或化合物。 根据需要采用不同操作条件，促使或避免它们生成。 (3) 晶型转变 同一物质在煅烧过程中发生晶型转变也是常见的。 4、焙烧过程中的物理变化 (1) 比表面的变化 由于煅烧中的热分解反应，使易挥发组分除去，在 催化剂上留下空隙，由此引起比表面的增加。 (2) 粒度变化 在燃烧过程中，随着温度升高和时间的延长，晶粒 逐渐变大。 (3) 孔结构变化 煅烧过程中，若发生烧结，微晶间发生粘附，使相 邻微晶间搭成间架，间架所占的空间成为颗粒中的 孔隙。 物质的不同，间架有不同的稳定性。 三、还原 如果催化剂的活性组分是金属，则一般在煅烧 后，还需经还原处理将氧化物转化为金属，这 一过程称为还原活化。 如果希望得到的是金属硫化物催化剂，则需进 行硫化活化。 氧化活化常用于氧化催化剂。 工业中广泛应用的是还原活化。 绝大多数金属催化剂母体是氧化物，必须通过还原 除氧，才能得到有活性的金属结构。 影响还原活化的主要因素有还原温度(包括升温速 度和恒温还原时间)、还原气组成和流速。 1）还原前煅烧温度对还原的影响 还原后生成金属的量取决于是什么样的氧化物。 例如，煅烧沉积在氧化铝上的镍盐，在较高的温度下 nial2o4的量增加，而它是难以还原的，煅烧温度高就会 使最终获得的金属含量低。 2）还原温度 金属氧化物的还原温度可由其金属氧键的强弱来决 定，而金属氧键的强弱可用金属氧化物的生成热大 小来表示。 金属氧化物生成热越大，金属氧键越强，催化剂越难 还原，起始还原温度就越高， 还原温度还直接影响到金属晶粒的大小。 3）还原气组成和流速 还原时，常用h2气，但还原过程是大量放热的； 如h2浓度过高，将会导致飞温，因此多含惰性气体，或 直接用含h2原料气，如n2-h2气。 也可用co作还原气体，其还原能力比h2还强。 还原过程中有水蒸气生成，由于水蒸气具有氧化 性，如果与已还原的金属相接触时间过长，易造 成全属的反复氧化和还原，从而引起晶粒长大， 活性降低。 尽管使用高纯度的氢也难以避开水。 还原时的气速高些为好，高气速可以将产生的水蒸气及 时带走。 应尽可能降低还原气中水蒸气的分压，以提高金 属的分散度。 采取的措施主要是在还原前将催化剂进行脱水、或用干 燥的惰性气体通过催化剂床层等。 由于还原过程是产生活性结构的过程，要求控制 非常严格，特别是温度控制，需非常仔细按规定 程度调温，耗费时间较长。 在工业生产中可以将催化剂装入反应器前进行预 还原，即在反应器外还原。 使用预还原催化剂，只需在反应器内经短时间活化，即 可转入正常生产，这样不仅可获得重现性好的催化剂， 还节省了起动时间。如合成氨的熔铁催化剂 第十一节、催化剂的安全使用 1、运输、贮藏与填装 1）运输和贮藏 金属桶(如co变换催化剂)或纤维板桶(如so2接触氧化催化剂) 装有催化剂桶的运输应尽可能轻轻搬运，并严禁摔、滚、碰 、撞击，以防止催化剂破碎。 贮藏要求防潮、防污染 2）催化剂的填装 催化剂填装好坏对催化剂效能发挥有着重要的影响。 床层分布均匀，床层阻力小。 催化剂在装入反应器之前要过筛 运输中所产生的碎末细粉会增加床层阻力，甚至被气流带出反应器阻 塞管道阀门。 固定床宽床反应器的填装 避免催化剂从高处落下造成破损 填装床层时一定要分布均匀 布袋法 绳斗法 2、催化剂的使用条件 1）温度 改变催化