新型环保工业催化剂.ppt

新型环保工业催化剂 一 定义 催化即通过催化剂改变反应物的活化能 改变反应物的化学反应速率 反应前后催化剂的量和质均不发生改变的反应 二 类型 共四种 1 均相催化催化剂与反应物同处于一均匀物相中的催化作用 有液相和气相均相催化 液态酸碱催化剂 可溶性过渡金属化合物催化剂和碘 一氧化氮等气态分子催化剂的催化属于这一类 均相催化剂的活性中心比较均一 选择性较高 副反应较少 易于用光谱 波谱 同位素示踪等方法来研究催化剂的作用 反应动力学一般不复杂 但均相催化剂有难以分离 回收和再生的缺点 2 多相催化多相催化发生在两相的界面上 通常催化剂为多孔固体 反应物为液体或气体 多相催化反应通常可按下述七步进行 反应物的外扩散 反应物向催化剂外表面扩散 反应物的内扩散 在催化剂外表面的反应物向催化剂孔内扩散 反应物的化学吸附 表面化学反应 产物脱附 产物内扩散 产物外扩散 这一系列步骤中反应最慢的一步称为速率控制步骤 化学吸附是最重要的步骤 化学吸附使反应物分子得到活化 降低了化学反应的活化能 因此 若要催化反应进行 必须至少有一种反应物分子在催化剂表面上发生化学吸附 固体催化剂表面是不均匀的 表面上只有一部分点对反应物分子起活化作用 这些点被称为活性中心 3 复相催化复相催化是一独立的化学反应 它兼有均相催化的温度和多相催化的速度 同时具有可控的方向性 在反应时 全方位的进行催化 致使反应速度加快数千倍 由于催化能力倍增 使其可从碳水化合物中移动氢氧 而这正是把工业和生物废弃物 一步法 转化为标准汽柴油的科学基础 4 生物催化酶是一种生物催化剂 生物体内的所有化学变化几乎都是在酶催化下进行的 酶的催化作用称为生物催化 酶的催化活性高 选择性强 生物催化在常温中性条件下进行 高温 强酸和强碱都会使酶丧失活性 离体的酶仍具有催化活性 可制成各种酶制剂应用在医学和工农业生产上 其他还有电催化 光助催化 光电催化等 按催化作用机理 可把催化剂分为金属催化剂 金属氧化物催化剂 配位 络合 催化剂 酸碱催化剂和多功能催化剂 通过加入催化剂 实现低活化能的化学反应途径 从而加速化学反应 催化作用的一般原理 一 定义 根据国际纯粹化学与应用化学联合会 IUPAC 1981年的定义 催化剂是一种改变反应速率但不改变反应总标准吉布斯自由能的物质 二 制造方法 传统的方法有机械混合法 沉淀法 浸渍法 溶液蒸干法 热熔融法 浸溶法 沥滤法 离子交换法等 现发展的新方法有化学键合法 纤维化法等 三 实际用途 催化剂在化工生产中具有重要而广泛的应用 生产化肥 农药 多种化工原料等都要使用催化剂 在化工生产 科学家实验和生命活动中 催化剂都大显身手 例如 硫酸生产中要用五氧化二钒作催化剂 由氮气跟氢气合成氨气 要用以铁为主的多分组催化剂 提高反应速率 在炼油厂 催化剂更是少不了 选用不同的催化剂 就可以得到不同品质的汽油 煤油 化工合成酸性和碱性色可赛思催化剂 车尾气中含有害的一氧化碳和一氧化氮 利用铂等金属作催化剂可以迅速将二者转化为无害的二氧化碳和氮气 酶是植物 动物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质 生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行 酿造业 制药业等都要用催化剂催作 我们可在波兹曼分布 Boltzmanndistribution 与能量关系图 energyprofilediagram 中观察到 催化剂可使化学反应物在不改变的情形下 经由只需较少活化能 activationenergy 的路径来进行化学反应 而通常在这种能量下 分子不是无法完成化学反应 不然就是需要较长时间来完成化学反应 但在有催化剂的环境下 分子只需较少的能量即可完成化学反应 环境保护催化剂是催化剂工业中的一类产品 用于借助催化作用来消除环境污染的工艺 在环境治理工程中 由于被污染物的组成 浓度 温度等常有变化 故要求催化剂能在较宽的反应条件下保持其效率 这与典型的化工生产中所用的催化剂是有所不同的 什么是环保催化剂 工业脱硝SCR催化剂 漆包机专用催化剂 催化剂工业中的一类产品 用于借助催化作用来消除环境污染的工艺 自20世纪70年代汽车排气催化净化技术商业化以后 此类催化剂与石油炼制催化剂 化工催化剂 包括石油化工催化剂和无机化工催化剂并列为催化剂工业中的三大类产品 催化剂的产品 环境保护用催化剂通常有较高的催化活性 能将浓度本来很低的污染物经催化转化为无毒物 能承受较高的作业负荷 以节约催化剂用量和治理污染的设备投资 能在室温或不太高的温度下作业 以减少治理污染所需的能耗 被处理的气体 通常含有粉尘 重金属 含硫化合物 含氯化合物 酸雾等 因此要求催化剂的抗毒能力较强 化学稳定性好 具有足够的催化剂寿命 有时 要求有良好的催化剂选择性不致因副反应所生成的产物造成二次污染 在环境治理工程中 燃烧催化剂用完全催化氧化的方法使可燃性污染物质转化为二氧化碳和水的催化剂 广泛用于治理工厂的排气污染 主要是一氧化碳 烃类及其含氧衍生物 如醇 醛 酮 酯等引起的污染 第一次世界大战时曾用CuO和MnOx为催化剂 置于防毒面具中以净化毒气 一氧化碳等 在室温下即有效 对环保催化剂的要求 1 要求处理的含有毒有害物质的气体或液体的数量较大 2 要求处理的有害物质的浓度往往很低3 要求环保催化剂有较强的抗毒稳定性4 要求不会产生二次污染5 要求环保催化剂必须具有脱除多种毒物的功能 新型环保催化材料 1 沸石分子筛催化材料由于它的多孔结构和选择性吸附的特点 既可用于毒物的吸附分离 又可以用于载体和膜催化材料 还可以用于酸催化以替代腐蚀性强的液体酸催化剂等 2 廉价的硅酸盐材料蒙脱土等天然粘土具有类分子筛的结构 像海泡石稍稍进行改性后 既可做催化剂载体 又是一种处理污水中重金属离子的良好吸附剂 整体块状载体材料的传质 传热 压降等行为与传统的颗粒状催化剂所构成的散式床层迥然不同 它被广泛地作为汽车尾气净化 烟道气脱硫 脱硝及有机废气催化燃烧等环保催化剂的载体 蒙脱土粘土 3 TiO2是一种N型半导体 具有良好的光敏导电性 常做催化剂载体 现在TiO2被广泛用于光催化材料和电极催化材料 一些涂有活性TiO2的自洁玻璃 瓷砖 家具 窗帘布 在太阳光和灯光的照射下自动催化和净化着室内的空气 纳米TiO2光催化剂 4 生物催化工艺通常是以无毒无害的生物材料为原料 往往在常温 常压下就可反应 相应工艺也简单 生物催化剂的转化率高 专一性强 副产物少 还可反复使用 因此是一种理想的绿色催化剂 5 氮化物 碳化物材料的结构独具特色 在加氢反应中显示了极高的活性 几乎可与贵金属相媲美 还能够大量节约氢耗 因此 有望取代地球上储量不丰 价格昂贵的贵金属在加氢反应中的地位 此类新型催化材料的加氢脱硫和加氢脱氮能力比传统的催化剂加氢脱硫和加氢脱氮的活性高 6 室温离子液体既可作为酸催化剂 又是一种绿色溶剂 因其制作方便 本身毒性低 价格便宜又不可燃烧 还具有性能可调等方面的优点 因此被预言是有可能引起一场化学工业革命和工业应用前景较好的环境友好催化材料 相关知识链接 界面 界面层 存在于两相之间 厚度约为几个分子大小的一薄层 界面层现象 由于物质界面分子与体相分子所处情况不同而产生的各种现象界面化学 研究对象是多相体系 界面上特殊的物理化学性质 由此而产生的一系列现象及其应用的科学 界面性质 表面张力 表面张力作用效果 使液体表面收缩 弯曲液面的附加压力 平面 表面张力 是水平的 相互抵消 液体表面的内外两侧压力相等 都等于外压p0