Методы приготовления катализаторов

Мы уже говорили, что во всем мире катализаторов производится много (см. тему 1): ежегодно на заводах всего мира производится примерно 500-800 тыс. тонн катализаторов общей стоимостью до 100 млрд. долларов США. В среднем же 15-20% всех используемых катализаторов ежегодно заменяются новыми.

Выбор катализатора для того или иного процесса определяется, в основном, технологическими и экономическими соображениями. Однократная загрузка катализатора может стоить миллионы долларов. Для оценки эффективности катализатора необходимо знать его производительность (т.е. активность), селективность, ожидаемый срок службы, стоимость и др. А ведь нужна еще и прибыль!

Средняя норма прибыли должна составлять приблизительно треть от себестоимости продукции, которая определяется затратами на сырье (40-70%), энергозатратами (30-69%), стоимостью аппаратуры и катализатора, трудозатратами. Поэтому понятно, что необходимо создавать катализаторы максимально активные, селективные, стабильные и недорогие.

Однако встает вопрос, можно ли определить предельную цену катализаторов. Такой цены быть не может, поскольку все зависит от его технологических свойств. Так, если очень дорогой катализатор является активным, селективным и стабильным, т.е может эффективно работать длительное время, то он окажется более предпочтительным, чем дешевый, но со значительно более низкими характеристиками

Катализаторы из природного минерального сырья

Многие природные минералы проявляют каталитическую активность.

Это:

  • оксиды –MnO2, Al2O3 и др.
  • бокситы Al2O3/xH2O
  • цеолиты Al2O3/SiO2, или молекулярные сита, у которых размеры пор подходят для катализа.

Но использование природных минералов в катализе – прошлый век. Несмотря на то, что часто природные минералы проявляют каталитическую активность, многие катализаторы (даже их аналоги) специально синтезируют. Это обусловлено тем, что часто природные минералы:

  • включают неконтролируемые примеси, качество и количество которых невоспроизводимо, поэтому каталитические свойства природных минералов часто не воспроизводятся;
  • могут иметь примеси других фаз данного минерала (например, в анатазе может быть примесь другой полиморфной модификации TiO2 – рутила);
  • имеют невоспроизводимые структурные характеристики, у них часто нет нужной пористой структуры;
  • не обладают оптимальными характеристиками – это касается прежде всего основных параметров – активности, селективности, стабильности.

Поэтому катализаторы синтезируют специально: для каждого каталитического процесса свой катализатор, обладающий оптимальным комплексом свойств. Синтез промышленных катализаторов осуществляют централизованно (в России есть несколько заводов, производящих катализаторы).

Синтез катализаторов

Существует много традиционных способов приготовления катализаторов, разрабатываются и новые. Для каждого класса катализаторов используются свои методы синтеза.

Вспомним, какие мы рассматривали типы катализаторов:

  • металлические (микрогетерогенные и гетерогенные),
  • оксидные (гетерогенные),
  • кислотно-основные (гомогенные и гетерогенные),
  • комплексы переходных металлов (гомогенные и гетерогенные),
  • ферменты (гомогенные и гетерогенные).

 

Методы приготовления металлических катализаторов

Металлические катализаторы могут быть разные – это массивные металлы, сетки, чернь, наночастицы. Так,

  • окисление аммиака в нитрозные газы идет на массивном PtIr катализаторе;
  • синтез аммиака – на железном катализаторе, полученном из магнетита;
  • гидрирование жиров (тристеарата глицерина) – на никелевом катализаторе.

Выбор метода восстановления  металлов  из  их  соединений зависит от природы металла.

Для легко восстанавливаемых металлов много мягких видов синтеза. Их проще всего получить из легко разлагаемых солей. Например Температура разложения ограничивается ТТаммана, которая равна 2/плавл и при которой начинается активная диффузия атомов металла.

Высокодисперсное железо на носителе из оксидов так нельзя получить поскольку оно восстанавливается при температуре, превышающей ТТаммана. Порошок железа спекается и величина Sуд получается очень маленькая, а именно 1-1,5 м2/г.

Кроме водорода восстанавливать металлы можно и другими соединениями, такими как: СO, RCHO, NaBH4, LiAlH4. Таким способом получают черни Pt, Pd:

Для всех трудно восстанавливаемых металлов нельзя получить чистую поверхность – на ней всегда есть оксиды, карбиды, нитриды.

Скелетные металлические катализаторы могут быть получены из бинарных сплавов путем выщелачивания одного из металлов. Например, очень активный NiРенея получают следующим образом: берут сплав Ni+Al, т.е. сплав Ренея (Ni 50%, Al 50%, d = 0,1-1,25 мм) и выщелачивают алюминий обработкой сплава раствором щелочи.

Никель получается в виде высокодисперсного черного порошка:

частицы d = 0,1-1,25 мм, Sуд достигает 100 м2/г, размер пор 10 нм.

На поверхности никеля  содержится  много  сорбированного  водорода,  поэтому  катализатор пирофорен; хранят его под слоем воды или этанола. При применении катализатора следует помнить, что полное испарение жидкости может привести к загоранию его на воздухе.

Этот катализатор применяют в гидрировании растительных масел. Регенерируется он плохо.

Скелетный катализатор никель по Багу получают – из сплава Ni (27%) и Al (73%), причем первоначально удаляют всего 10% Al. После выщелачивания получают катализатор, содержащий 30% Ni и 70% Al. При снижении активности этот катализатор активируют, проводя дополнительное выщелачивание.

Оксиды переходных металлов (Cr, Mo, W, V, Ta, Ti, Zr) восстанавливаются водородом в более жестких условиях – нужна Т>1000 оС, т.е. выше ТТаммана и это не подходит. Поэтому используют другие пути. Например, восстановление  металлов из их соединений:

  • разложение оксалата железа при нагревании
Fe(COO)2 Fe+ 2 CO2↑;
  • разложение карбонилов
  • а также других  соединений, например  πкомплекса бисбензолхрома

Для получения таких металлов используют и различные физические методы:

  1. Лазерная абляция – в вакууме под воздействием лазерного луча, направленного на поверхность металла,  происходит испарение  его  (к тому же это еще и метод очистка поверхности) и образуется дисперсия металла в газе. Этим способом получают миллиграммовые количества распыленного металла.
  1. Электрический взрыв – разрушение и распыление металла при прохождении через него импульса тока большой плотности, более 104 А/мм2 (т.е. в результате короткого замыкания или разряда конденсатора высокой ѐмкости). Получают порошок с диаметром частиц <0,1 мм, которые имеют сферическую  форму (граммовые количества).
  2. Электроконденсация – при возникновении вольтовой дуги между двумя электродами, частицы металла конденсируются в жидкость (граммовые количества). Получают золь металла в жидкости (граммовые количества). Если металл реагирует с жидкой фазой, то могут образоваться окси ды (в воде), карбиды (в углеводородах).
  3. Металло-паровой синтез (криосинтез). В вакуумированный реактор напускают пары органического соединения (ОС), которые конденсируются на стенках, охлаждаемых жидким азотом. Затем испаряют металл (нагревая проволоку из него электрическим током); при этом летят в основном (98%) одиночные атомы. Пары ОС и испаренные атомы металла соконденсируются на замороженной органической матрице в виде «шубы». Потом охлаждение снимают, замороженный золь тает, и получается жидкий золь. Растворитель удаляют при нагревании. Если металл реагирует с растворителем, могут образоваться металлоорганические соединения, например Cr6Н6)2. Иногда получают коллоидный раствор   металла (например, в гексане). Этим методом получают граммовые количества распыленного металла. Схема процессов, происходящих в условиях металло-парового синтеза, приведена на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Взаимодействие атомов металла с криоматрицей органического вещества в метало-паровом синтезе.

 

Методы приготовления нанесенных катализаторов

Для приготовления нанесенных катализаторов используют различные способы:

  • осаждение (соосаждение)
  • пропитка
  • адсорбционное нанесение
  • ионный обмен
  • смешение
  • сплавление и др. с последующей сушкой катализатора, прокаливанием, восстановлением и активацией.

Метод пропитки (принудительная адсорбция) заключается в том, что пористый носитель пропитывают раствором легко разлагаемой соли переходного металла с последующей сушкой и прокаливанием.

А как определить необходимый объем раствора? Ведь если будет избыток раствора, то мы не сможем определить точную концентрацию нанесенной соли. Поэтому проводят пропитку по влагоѐмкости, т.е. объем раствора должен быть равен или меньше объема пор носителя. Объем пор носителя определяют по количеству воды, которая полностью поглощается носителем.

Так получат нанесенные металлические катализаторы. При этом обычно используют в качестве носителей Al2O3, SiO2, Cакт,, полимеры и др.; активные  металлы     Pt, Pd, Ni.

Примеры:

  1. Для приготовление катализатора Pt/SiO25 мл 2 М раствора H2PtCl6 добавляют к 30 г SiO2. Образовавшуюся пастообразную массу перемешивают, сушат и прокаливают при 500 оС в токе воздуха. Ионы Pt4+, сорбированные на SiO2, восстанавливают  до металла раствором формалина в щелочной среде:
  1. Адсорбция соединений переходного металла на поверхности носителя. Например при получении Pt/SiO2

Другие катализаторы:

Следует подчеркнуть, что при таком способе получения катализатора активный металл всегда остается на поверхности носителя

Метод осаждения состоит в осаждении гидроксида переходного металла на суспензию носителя в ходе гидролиза соли. В качестве гидролизующих соединений могут использоваться мочевина и аммиачная вода.

Метод соосаждения, предусматривает одновременное осаждение соединений переходного металла и материала носителя с последующей сушкой и прокаливанием.

Примеры:

  1. Катализатор Ni/Al2O3

Берут двухкомпонентный раствор легко разлагаемых солей Ni(NO3)2 и Al(NO3)3 и осаждают соответствующие гидроксиды, например, раствором щелочи:

Полученный этим способом катализатор будет дороже, чем полученный по описанной выше методике, так как часть металла содержится в объеме катализатора и оказывается недоступной для реагентов.

  1. Pt/ Al2O3SiO2 (на алюмосиликате)

Берут рассчитанные объемы водных растворов NaAlO2+NaOH (1), [Pt(NH3)4]Cl2 (2) и Na2SiO3·9H2O (3). Растворы 1 и 2 сливают вместе, после чего добавляют раствор 3 и кипятят с обратным холодильником несколько часов

Метод ионного обмена заключается в том, что имеющиеся на поверхности алюмосиликатов подвижные протоны обмениваются на другие катионы, например в цеолитах.

Пример:

К водной суспензии цеолита NaY (5 г в 1 л H2O) добавляют при перемешивании водный раствор [Pt(NH3)4](NO3)2 (Tкомн), содержащий количество платины, необходимое для получения 4%-ного Pt/Y катализатора. Перемешивают в течение 24 ч для установления равновесия:

После этого цеолит отфильтровывают и тщательно промывают дистиллированной водой для удаления слабосвязанной или окклюдированной соли. Продукт сушат и прокаливают в токе воздуха при 500 оС.

Активность нанесенных на цеолит катализаторов будет зависеть от катионной формы использованного цеолита, например, в реакции гидрогенолиза тетраметилметана (рис. 8.2):

Рис. 8.2. Влияние ионной формы цеолита на активность нанесенного палладиевого катализатора в гидрогенолизе CH3CL