催化剂在CO2 催化转化技术中的应用
催化剂在CO2催化转化技术中的应用
王瑞
(西北师范大学甘肃兰州730070)
摘要：简述了CO2的催化消除技术方法，概括了国内外的研究现
状，对CO2催化转化的条件、结果进行了讨论，简述了主要技术
方案的经济可行性。有必要对适合CO2加氢的甲醇合成活性组分
作进一步的研究，以提高CO2加氢直接制二甲醚双功能催化剂的活性、选择性和稳定性。
关键词：CO2；催化转化；应用；探讨
The Summarization in CO2 Catalytic Conversion
Wang Rui
Abstract：This paper reviewed technologies of catalytic eliminating CO2 methods，including researches at home and abroad．And conditions and results of catalytic conversion CO2were discussed and it summarized main technical programs of economic feasibility．It＇s necessary to enhance activity，selectivity and stability of catalysts through using effective components．
Keywords：CO2；catalytic conversion；apllication；discussion
矿物燃料煤、油和天然气的大量燃烧为现代工业和社会发展提供了廉价的能源，同时，也造成全球CO2排放总量不断增长，由此引起的全球变暖已经对人类的生存环境构成威胁。因此，在满足人类对能源日益增长需求的同时，控制温室气体的排放总量是全球共同关心的环境问题，已引起各国政府、产业和学术界的广泛关注。
目前CO2催化消除的主要技术有:（1）合成甲烷气体；（2）加氢生成甲醇、二甲醚、甲酸等；（3）分解成碳。催化剂是这些转化技术中的重要研究部分。
2 国内外研究现状
2.1 CO2的甲烷化技术
CO2甲烷化反应是由法国化学家Paul Sabatier提出的，因此，该反应又叫做Sabatier 反应［1］。反应过程是将按一定比例混合的CO2和H2通过装有催化剂的反应器,在一定的温度和压力条件下反应生成水和甲烷。
CO2的甲烷化反应为放热反应，适宜在较低的温度、较高的H2、CO2比例下进行，关键是选择性能良好的催化剂［2］。
大量研究发现，A12O3、SiO2、TiO2和MgO 等负载的过渡金属Ru、Rh、Ni 和Pd 催化剂都具有良好的催化CO2甲烷化性能。Ru 是CO2甲烷化反应中最具低温催化活性的金属［3］。
2.2 加氢合成甲醇技术
甲醇作为一种基本有机化工产品和环保动力燃料具有广阔的应用前景，CO2
催化加氢合成甲醇是合理利用CO2的有效途径。CO2加氢合成甲醇过程中，由于CO2的惰性及热力学上的不利因素，难以活化还原,传统方法制备的催化剂转化率低、副产品多、甲醇选择性不高，因此研究新的廉价的催化剂，提高催化剂的反应活性和选择性来优化利用CO2资源十分必要。
20 世纪60 年代，铜基甲醇合成催化剂诞生，甲醇合成改用低温低压工艺是甲醇合成历史上的一次重大变革。多年来国际上对低压合成甲醇催化剂的研究一直相当活跃，并有显著进展。赵云鹏等人研究了CuO－ZnO ／ZrO2催化剂的制备方法及条件对催化剂活性的影响。按照CuO、ZnO、ZrO2质量比为1∶1∶2制备的CO2加氢合成甲醇的催化剂，在反应温度250 ℃，压力1.0Mpa，空速1 600 h[1]条件下，确定了催化剂制备条件对CO2转化率的影响：采用并流沉淀法，沉淀温度70 ℃，生成沉淀的pH 值8～9，焙烧温度350 ℃，制备的CuO－ZnO ／ZrO2催化剂的活性最好［4］。
2.3 加氢合成二甲醚技术
二甲醚因其较高的十六烷值、优良的压缩性，而具有良好的工业性能，利用CO2加氢直接制二甲醚可有效地减少工业排放的CO2，生产极具应用前途的清洁燃料和重要的化工原料,有重大的经济和社会效益。
CO2加氢直接合成二甲醚的双功能催化剂含有甲醇活性组分和甲醇脱水活性组分。
2.3.1 甲醇合成活性组分
CO2加氢直接制二甲醚双功能催化剂所采用的甲醇合成活性组分大部分
为合成气制甲醇的CuO-ZnO基催化剂，研究主要集中在CuO 与ZnO 质量比（Cu、Zn 比）、制备方法和条件对催化活性的影响、助剂的选择等方面。
王继元等制备了不同Cu、Zn 比的Cu－ZnO ／HZSM－5 双功能催化剂，实验结果表明Cu、Zn 比为3∶2 的催化剂，CO2的转化率和二甲醚的选择性最高。Arena 等在180～240 ℃、0.9 MPa 的条件下研究了CO2加氢直接合成二甲醚的双功能催化剂，实验结果表明，Cu、Zn 比为39 ∶12.4 的Cu －ZnO－ZrO2／HZSM －5 催化剂的性能较好。他们还发现当Cu、Zn比较大时，CO2加氢生成甲醇的活性较高，Cu－Cu＋协同作用构成了反应的活性中心。
2.3.2 甲醇脱水活性组分
由于甲醇脱水反应是酸催化反应，在双功能催化剂中所用的甲醇脱水活性组分一般为固体酸，目前研究最多的是分子筛如Y 沸石、丝光沸石和HZSM－5 等。
李增喜等［5］考察了－Al2O3和HZSM－5 分子筛作为甲醇脱水活性组分对双功能催化剂性能的影响，结果表明，以HZSM－5 分子筛代替－A12O3作为甲醇脱水活性组分能明显提高催化剂的性能。分子筛尤其是HZSM－5 分子筛HZSM －A12O3更适合作为双功能催化剂的甲醇脱水活性组分。
2.4 二氧化碳分解成碳
1990 年Tamaura 和Tahatan 首次利用氧缺位磁铁矿直接将CO2转化成C，从他们的结果来看，该反应选择性好、反应温度不高，且CO2转化效率高，这为CO2
直接分解成C 的研究开辟了一条新的途径。
利用各种类型的简单和复合金属氧化物在H2还原活化前后分解CO2成C的活性试验的结果表明,决定金属氧化物分解CO2活性的因素是氧缺位程度、夹晶石结构（包括NaCI 型结构）及其含铁相，而其它各类金属氧化物活性均较低,甚至完全无活性。氧缺位铁酸盐分解CO2成C的活性较高,且按Mg＜Zn＜Cu＜Co＜Mn ＜Ni＜Fe 的次序增加。铁酸盐的氧缺位程度越大,分解CO2的速度越快，分解CO2成C的量越大［6］。
3 C H
4 -O 2催化重整对煤层气利用的意义及应用原理
3.1 煤层气甲烷二氧化碳重整技术原理
煤层气以甲烷为主要成分、其含量一般大于80%,其它烃类气体极少,非烃类气体少于20%,其中氮气约占三分之二,二氧化碳约占三分之一[7]。早在1928年,Fischer等就对CH4-CO2重整反应进行了研究,表明第VIII簇对该反应具有催化活性[4]，Pd双金属/Al2O3双金属催化剂Ni/Al2O3催化剂是对煤层气催化反应制合成气具有很好活性的两种催化剂[3]CH4-CO2重整反应的热力学方程式: CO2(g)+CH4(g)→2CO(g)+2H2(g) △ H=247kJ/mol……(1)[7]
由方程式可知,整个反应制取合成气是一个强吸热反应过程。生成的一氧化碳和氢气的热力学方程式如下:
2H2(g)+O2(g) →2H2(g) △H=-471.6kJ/mol……( 2 )
2CO(g)+O2( g )→ 2CO2(g) △ H=-466kJ/mol (3)
直接利用甲烷,热力学方程式如:
CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l) △ H=-89.3kJ/mol ……( 4 )
由(1)、(2)、(3)、(4)热力学方程式综合可知,比1mol CH4燃烧将多释放611.3kJ的热量。
3.2 可行性分析
甲烷二氧化碳催化重整给能源工作者和科学家开辟了一个崭新的、具有广阔前景的研究领域。作为一种新型能源,世界煤层气资源量约91万亿～260万m3,我国煤层气资源丰富,据2000年全国煤层气资源评价结果,我国埋深2000m以浅的煤层气资源量约为31.46万亿m3,我国地质工作者在近年来对煤层气开采做了大量研究工作,煤层气开采已初步实现商业化[8]。鉴于CO2受煤层埋深和变质程度诸多因数的影响,不同层藏区差别也较大,甲烷和二氧化碳的比例也有有所差异,要满足甲烷和二氧化碳反应比例的1∶1,我们可以利用电站收集的CO2,利用无氮燃烧技术可以获得廉价、高浓度的CO2气体。目前,据美国能源部说,在发电站收集1吨二氧化碳的费用约合人民币150元至500元[9]。然而目前,煤层气主要用于直接能源,造成提纯过程中的成本提高和能源低利用率。CO2与液化甲烷催化重整制合气,20世纪80年代初期,在当时的西德已建立了工业生产装置,经过长期的研究,人们发现Pd双金属/Al2O3双金属催化剂和Ni/Al2O3催化剂是对煤层气催化反应制合成气具有很好活性的两种催化剂,在750℃下,前一种催化剂上可获得90.2%的CH4的转化率和90.4%的CO2转化率90.4%的CO收率和90.0%的H2收率。在后一种催化剂上可获得91.6%的CH4转化率和83.9%的CO2转化率,90.3%的CO收率和91.6%的H2收率在高温下,两种催化剂上产物中摩尔比都约为1。
3.3 甲烷、二氧化碳催化重整对煤层气利用的意义
随着全球能源危机的加剧和全球变暖的日益严峻,人们对环保要求的提高,人
类急需寻求新能源、提高能源利用率和减少温室气体排放。当前,以美国为首的发达国家正积极开发煤层气,我国也在沁水盆地等气田实现商业化。我国煤层气储量相当丰富,开发利用煤层气以是大势所趋,利用煤层气甲烷二氧化碳重整技术,如能实现工业化将会产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益。首先,其最大的特点是提高能源利用率。由上面的分析可知,单以甲烷为燃料1mol释放89.3kJ 热量,而有该量甲烷催化重整生成2mol CO和2mol H2,他们完全燃烧将释放937.6kJ热量,减去催化重整过程吸收的热量,单位体积的甲烷利用率将增至近7倍。并且甲烷二氧化碳催化重整过程是一个强吸热可逆过程,还可以作为化学能的传递系统。其次,有利于减少温室气体排放。煤层气主要成分包括甲烷、氮气和二氧化碳,甲烷和二氧化碳是引起全球变暖的主要温室气体,工业革命以来,由于人类对化石燃料的燃烧,大气中二氧化碳浓度由工业革命前的280ppm增加2006年的383.1ppm;甲烷至工业革命的700ppb(V)增加到近1800ppb(V),并且其温室效应是二氧化碳的21倍。随着哥本哈根全球气候会议的召开,减少温室气体的排放已是各国共同的呼声[9]。利用甲烷二氧化碳重整技术,我们可以充分利用煤层气中甲烷和二氧化碳,减少提纯成本,并根据比例需要,可以将工业废料CO2作为原料。这不仅在节能的基础上减少了温室气体的排放,而且充分利用了发电站排放的二氧化碳。最后,CO和H2混合气体的高效性。一氧化碳和氢气混合气体与单纯甲烷气体相比,可以克服作为动力的不足。我们都知道,现在以天然气(主要成分为甲烷)为燃料的汽车与由汽油或柴油为燃料的汽车相比,在上坡时常表现动力的不足,利用CO和H2气体混合燃料可以很好的克服这一弱点。
4 炭催化CH4-CO2重整制合成气
4.1 实验部分
4.1.1 炭催化剂的制备与分析
实验采用的炭催化剂,由大同煤置于马弗炉中,在900 ℃温度下干馏12 h 。炭催化剂的工业分析及元素分析的结果见表1[11]
表1 炭催化剂的工业分析及元素分析
4.1.2 合成气的制备与分析
本实验在一套内径为8 mm 的石英反应器中进行,反应器的温度采用程序升温控制。催化剂的粒度为10 目,每次在石英管中填充的炭催化剂长度为15 cm。实验前,炭催化剂先在N2气氛下,于1 000 ℃行恒温加热,直到炭催化剂中的残留水分和气体含量小于0. 5 %为止。实验过程中每隔一定时间收集尾气并快速进行离线分析,气体成分采用GC -950 和GC - 9890 2 台气相色谱仪进行检测。检测方法按照GB 10410. 1 人工煤气组分气相色谱分析法,并采用公式(1) , (2) 对CH4 和
CO2转化率进行计算。
χCH4= Fin ,CH4- Fout ,CH4 / Fin ,CH4, (1)
χCO2= Fin ,CO2- Fout ,CO2 / Fin ,CO2, (2)
式中, F in ,CH4mL 为原料气CH4的体积; F out ,CH4mL为尾气CH4的体积;
F in ,CO2mL 为原料气CO2体积;F out ,CO2mL 为尾气CO2体积。
4.1. 3 炭催化剂的表面表征
炭催化剂反应前后的比表面积、孔容及孔径分析,在PASCAL140/ 240 吸附- 压汞分析仪上进行。
4.2 反应条件对CH4-CO2重整的影响
4.2. 1 粒度的影响
粒度对反应物在催化剂内部的扩散情况有较大影响,是影响催化剂活性的1 个重要因素。图1[12]给出了反应温度900 ℃、CH4-CO2流量分别为60 mL/min 时,用6 目、10 目和16 目3 种粒度的炭催化剂CH4和CO2的转化率曲线。
该曲线表明,当用不同粒度的炭催化剂时,CO2的转化率曲线基本没有变化,都稳定在60 %附近。这说明900 ℃时,粒度的大小对CO2的转化率基本上没有影响。也就是说,炭催化剂的粒度对CO2与炭催化剂之间的气化反应基本上没有影响。CH4初始阶段的转化率在不同粒度炭催化剂的条件下也基本上没有变化,但稳定时的CH4转化率受粒度的影响很大。用6目、10目和16目3种粒度的炭催化剂时,CH4稳定时的转化率分别为25 % ,30 %和35 %[13]。随着粒度的减小,CH4稳定时的转化率有增高的趋势。这可能是由于当用粒度小的炭催化剂时,原料气与炭催化剂接触得更加充分的缘故。
4.2. 2 CH4-CO2不同流量配比的影响
图2[14] 给出CH4-CO2流量比例在1∶2 ,1∶1 和1∶0. 5 时的转化率曲线。
该曲线表明,当CH4和CO2的流量比为1:1时,CO2的转化率在3 种比例条件下最高为65 % ,CH4转化率则居中为27 %。当CH4和CO2的比例为1∶2 时,CH4的转化率在3种比例条件下最好,稳定时的转化率为30 %左右,这时CO2稳定时的转化率较低,仅达到45% ,为3种比例条件下的最低值。当CH4和CO2的比例为1∶0. 5 时,CH4稳定时的转化率下降到了3个比例当中最低的水平10%,此时CO2的转化率为55 %。由此可见,当CH4和CO2的比例为1∶1 时,CH4和CO2的转化率最为理想。
4.2. 3 空速的影响
图3[15]给出了反应温度900 ℃时,炭催化条件下空速对CH4-CO2转化率的影响曲线。
该曲线表明,空速越低,CH4和CO2的转化率越高。当空速为0.36 L/ (g·h)时,CH4和CO2稳定时的转化率分别为20%和50%,当空速为0.18L/ (g·h) 时,CH4和CO2稳定时的转化率分别为25%和65%,当空速为0.09 L/ (g·h) 时,CH4和CO2稳定时的转化率则分别达到40 %和85 %[16]。CH4和CO2与炭催化剂的接触时间越长,对CH4和CO2的转化越有利.停留时间的增加,使原料气在炭催化剂上的吸附、扩散及重整更加充分,所以转化率增加。
4.2. 4 反应温度的影响
图4[17]给出了不同反应温度下CH4和CO2在炭催化条件下的初始转化率变化情况
该情况表明,在炭催化条件下,CH4和CO2的初始转化率都是随着反应温度的升高而升高。这主要是因为在此试验过程中发生了如下反应。
CH4 + CO2→2CO + 2H2ΔH=248. 0 KJ/ mol (3)
反应(3) 是强吸热反应,其ΔH=248. 0 kJ / mol ,温度的升高有利于此反应向正方向进行。在炭催化剂的作用下,CH4和CO2起始反应温度为600 ℃,但是在反应温度600 ℃时,CH4和CO2的转化率都较低,仅达到1%当反应温度为700 ℃时,CH4和CO2的转化率上升到较高的水平,CH4和CO2的转化率分别达到10 %和20 %[18]。随着温度的增加,CH4和CO2的转化率进一步升高,当反应温度为1000℃时, CH4和CO2的转化率分别达到了87 %和98 % ,基本上完成了转化。
4.2. 5 反应时间的影响
图5[19]给出了在反应温度900℃时CH4和CO2在炭催化剂作用下不同反应时刻时的转化率变化情况。
该情况表明,CH4转化率随着时间的增加呈现出先下降后稳定的趋势。CH4在反应温度900℃时的初始转化率达到55 % ,随着时间的推移,CH4的转化率开始逐渐下降,到反应时间为80 min 时,CH4的转化率下降并稳定在30 %附近[20]。CO2的转化率变化趋势随着时间的变化则与CH4不同,CO2的转化率只有在开始阶段有微弱的下降过程,由65%下降到60%,在以后的250 min 的反应时间内CO2转化率基本上稳定在60 %。这主要是因为本实验所用的炭催化剂的特殊性引起的。炭催化剂不但在本实验中起催化CH4-CO2重整的作用,还参与了与CO2的气化反应,从而导致CO2转化率的稳定。
4.2.6 炭催化剂反应前后表面性质的变化
对新鲜的炭催化剂及经过900℃,CH4-CO2重整反应后的炭催化剂进行比表面积、孔容和孔径的测试。结果(见表2)[21]。
其表明,反应前后炭催化剂在比表面积、孔容及孔径等方面都没有明显的变化。反应前炭催化剂的比表面积和孔容分别为6. 786 m2·g - 1和0. 977 cm3·g - 1 ,反应后分别为5. 962 m2·g - 1和0. 950 cm3·g - 1。反应后炭催化剂的比表面积和孔容较反应前仅分别减少了0. 784 m2·g - 1和0. 027 cm3·g - 1。反应后炭催化剂的孔径45. 09 ×10 - 6 mm ,仅比反应前增加了0. 81 ×10 - 6 mm。反应前后炭催化剂在比表面积、孔容及孔径等方面,变化都极其微小。这说明炭催化剂在反应后积碳并不严重,也就是说,CH4-CO2在实验过程中转化率突然降低的现象不是由积碳引起的,积碳
对炭催化剂下CH4-CO2重整影响不大。
4.2.7 结论
在炭催化的条件下,CH4和CO2的初始转化率较高,然后降低至平稳的阶段。温度的升高有利于CH4-CO2重整反应的进行。空速对CH4-CO2转化率影响比较明显。空速越小,CH4-CO2。转化率越高。CH4和CO2的比例对产品气的产率影响较明显,当CH4和CO2的比例为1∶1时,CH4和CO2的转化率最为理想,分别为27 %和65 %。积碳对炭催化下CH4-CO2重整基本没有影响。
5 问题探讨
（1）CO2甲烷化机理以及CO与CO2共存时的甲烷化反应机理还存在很多不确定因素，与CO 相比，对CO2甲烷化机理的研究有待深入。
（2）研制新型催化剂是CO2加氢合成甲醇的关键技术之一。超细负载型催化剂因具有比表面积大、分散度高和热稳定性好的特点，将成为一种发展趋势，是今后研究的方向。国内外目前虽已研制出此类新型催化剂，但都局限于实验室研究阶段，要进入工业应用阶段，仍有相当大的难度。
（3）虽然到目前为止，国内外不少学者已对CO2加氢直接制二甲醚的双功能催化剂进行了大量的研究，但所报道的催化剂仍存在CO2转化率低、二甲醚选择性不高和稳定性较差等显著缺点，这主要是由于目前所报道的双功能催化剂的甲醇合成活性组分绝大多数是直接采用合成气制甲醇的Cu－ZnO / A12O3催化剂。近年来的研究表明，CO2加氢反应和CO 加氢反应的活性中心并不相同，另外，由于CO2制甲醇反应产生了大量的水(这点与CO 加氢制甲醇有显著的不同)，而反应体系中大量水的存在会促使催化剂中有效活性组分Cu 的晶化，从而降低催化剂的活性和稳定性。因此，有必要对适合CO2加氢的甲醇合成活性组分作进一步的研究，以提高CO2加氢直接制二甲醚双功能催化剂的活性、选择性和稳定性。
参考文献
1孟运余，尚传勋．CO2甲烷化还原技术研究［J］．航天医学与医学工程，1994，7（2）：115－120．
2易丽丽，马磊，卢春山，等．CO2催化加氢甲烷化研究进展［J］．化工生产与技术，2004，11（5）：33－35．
3Darensbourg D J，Bauch C G．Revs．Inorg．Chem．1985，7（4）：31-33．4赵云鹏，田景芝，荆涛．CO2加氢合成甲醇催化剂CuO－ZnO／ZrO2的制备［J］．齐齐哈尔大学学报，2006，5（22）：1－3．
5李增喜，冯玉龙，王日杰，等．合成二甲醚铜基HZSM－5 催化剂的研究－制备条件和反应条件对催化剂活性的影响［J］．催化学报，1998，19（4）：367－370．
6王力军，张春雷，吴通好，等．金属氧化物直接分解CO2成C 的活性分析［J］．环境科学学报，1998,9（5）：463－465．
7 贺泓,等.环境催化原用[M].科学出版社.山东化工，2002，31(6)：30-33．
8 傅学海,秦勇,等.煤层气地质学[M].中国矿业大学出版社.广东化工，2005，10：
42-44
9 孙亚欣.毛理及,应如玉,等.燃煤氮氧化物排放控制技术[M].化学工业出版社.
2003，54(4)：524-530
10 余长春,丁雪佳.CO2-CH4催化反应制合成气研究.化工学报，2003，54(4)：
524-530
11 王志.CO2-CH4,催化反应制合成气研究进展.西北化工研究院[J]．化学工
业与工程技术，2008，29(6)：33-37．
12 索掌怀,徐秀峰,金明善,等. Ni/ MgO/ Al2O3催化剂中Ni 前体对CH4-CO2重整
反应活性的影响[J ] . 分子催化,2003 (3) :175-180.
13 黎先财,陈娟荣. Ni2CO 双金属催化剂在CO2重整CH4反应中的催化活性研究
[J ] . 现代化工,2005 (10) : 37- 39.
14 钱岭,阎子峰. 担载型砒基催化剂上CH4-CO2重整反应机理的研究[J ] . 复
旦学报(自然科学版) ,2003 (3) :392-395.
15 张美丽,季生福,胡林华,等. 高稳定性Ni/ SBA215 催化剂的结构特征及其对
CO2重整CH4反应的催化性能[J ] . 催化学报,2006 (9) :777-782.
16 Zhang Jian-guo , Wang Hui , K. Ajay , et . al. Effects of metal content on activity
and stability of Ni2Co bimetallic catalysts for CO2 reforming of CH4 [J ] . Applied Catalysis A : General. 2008 ,339 :121-129.
17 Hao Zhi-gang ,Zhu Qing-shan ,Lei Ze ,et . al. CH4-CO2re- for-ming over Ni/
Al2O3aerogel catalysts in a fluidized bedreactor[J] . Powder Technology ,2008 ,18 :274-479.17 杨文书,相宏伟,李永旺,等. CH4-CO2催化转化制合成气在镍系催化剂上的表面能学分析[J] . 燃料化学学报,1999 ,27 (S1) :164-172.
18 郝志刚,朱庆山,雷泽,等. 流化床反应器中不同Ni/Al2O3催化剂上CH4-CO2
重整反应性能的比较研究[J] . 燃料化学学报,2007 ,35 (4) :436-441.
19 李文英,冯杰,谢克昌,等. CH4-CO2重整反应镍催化剂的积碳性能研究[J] .
燃料化学学报,1997 ,25 (5) :460-464.
20 刘金河,叶天旭,马淑杰,等. 覆炭载体及镍覆炭催化剂的积炭行为研究[J] . 化
工进展,2002 ,21 (7) : 483-486.
21 许峥,张鎏,张继炎. Ni/γ2Al2O3催化剂上CH4-CO2重整体系中积碳- 消碳
的研究[J ] . 催报,2001 ,22(1) :18-22.
22刘金河,孙在春,马淑杰,等. 镍/ 覆炭氧化铝催化剂积碳行为和积碳动力学的热重研究[J ] . 石油化工,2002 ,31 (10) :787-790.
Co基催化剂上甲苯催化燃烧的研究
Hans Journal of Chemical Engineering and Technology 化学工程与技术, 2019, 9(4), 299-304 Published Online July 2019 in Hans. https://www.360docs.net/doc/ab15956272.html,/journal/hjcet https://https://www.360docs.net/doc/ab15956272.html,/10.12677/hjcet.2019.94042 Study on Catalytic Combustion of Toluene on Co-Based Catalysts Shengkang Wang, Hua Pan*, Yiping Mao, Zhongyu Yang, Dingsheng Zhang, Yu Mei College of Biology and Environmental Engineering, Zhejiang Shuren University, Hangzhou Zhejiang Received: Jun. 14th, 2019; accepted: Jun. 28th, 2019; published: Jul. 4th, 2019 Abstract Co/CeO2 and Co/TiO2 catalysts were prepared by impregnation method. The catalytic behavior of Co/CeO2 and Co/TiO2 catalysts for catalytic combustion of toluene was investigated. It shows that the activity of Co/CeO2 catalyst is higher than that of Co/TiO2 catalyst. Co/CeO2 catalyst has a lower light-off temperature (T50= 210?C), while the conversion of toluene can be stabilized at 80% at 225?C on Co/CeO2. Co/CeO2 has a larger specific surface area, which increases the contact area of the reactants with the catalyst, resulting in the higher activity of the catalyst. The active compo-nent in the Co/CeO2and Co/TiO2catalysts is Co3O4. The higher content of O surf and Co3O4on the surface of Co/CeO2 catalyst may be the main reason for the higher activity of Co/CeO2 catalyst. Keywords Cobalt, Catalytic Combustion, Toluene Co基催化剂上甲苯催化燃烧的研究 王晟康，潘华*，毛益萍，杨仲余，张鼎盛，梅瑜 浙江树人大学生物与环境工程学院，浙江杭州 收稿日期：2019年6月14日；录用日期：2019年6月28日；发布日期：2019年7月4日 摘要 采用浸渍法制备了Co/CeO2和Co/TiO2催化剂，考察了Co/CeO2和Co/TiO2催化剂催化燃烧甲苯的催化行为。研究表明：Co/CeO2催化剂活性高于Co/TiO2催化剂活性。Co/CeO2催化剂具有较低的起燃温度(T50 *通讯作者。
绿色化学催化剂应用
绿色化学催化剂应用 摘要：从有机功能小分子催化、高分子负载催化剂、新型过渡路易酸催化、生物质催化、离子液体和超临界流体为介质的催化来介绍有机合成中的一些绿色反应。 关键字：绿色，有机合成，催化 催化化学 催化化学对人类社会的发展和进步起着深远的影响，80 ％以上的传统化工过程都与催化作用有关。近年来随着人类对能源、环境和健康等问题的普遍关注，催化化学的作用和地位进一步获得了新的评价。因此，适当掌握一些关于催化剂及催化过程的知识是非常必要的。催化化学是一门面向化学类专业大学学生的一门学科。其目的主要是使学生了解催化化学的基础知识以及最新发展动向，通过学习，提高学生对化学和化工领域的环境友好的意识，为今后从事研究和开发打下良好的基础。学科内容主要包括：催化作用基础、催化剂的设计、制备和表征以及各种新兴催化技术在绿色化学、生物医药等领域的应用，如纳米技术、超临界流体技术和相转移催化等。 绿色化学 绿色化学的定义：是在化工产品生产过程中，从工艺源头上就运用环保的理念，推行源消减、进行生产过程的优化集成，废物再利用与资源化，从而降低了成本与消耗，减少废弃物的排放和毒性，减少产品全生命周期对环境的不良影响。绿色化工的兴起，使化学工业环境污染的治理由先污染后治理转向从源头上根治环境污染。 绿色化学被称为环境无害化学（Environmentally Benign Chemistry），由此
发展的技术称环境友好技术或洁净技术：即利用化学原理在化学品的设计、生产和应用中消除或减少那些对人类健康、社区安全和生态环境有毒有害物质的使用和生产，设计研究没有或只有尽可能少的环境负作用，在技术上和经济上可行的产品和化学过程。无论属于哪个学科，面对一项有利于人类社会的发展的新理论，都应该树立正确的态度和观念。所以，首先有必要解释清楚这些技术或科学理念的理论来源及前因后果、带来的益处、发展方向、积极意义、发展前景及发展方式等等。 绿色化学的研究内容及其实现方式 1、绿色化学研究的核心内容 绿色化学研究的核心内容是原子经济性这一概念最早是1991年美国Stanford大学的著名有机化学家Trost(为此他曾获得了1998年度的“总统绿色化学挑战奖”的学术奖)提出的，即原料分子中究竟有百分之几的原子转化成了产物。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”。他用原子利用率衡量反应的原子经济性，认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中。绿色化学的原子经济性的反应有两个显著优点：一是最大限度地利用了原料，二是最大限度地减少了废物的排放。近年来，开发新的原子经济反应已成为绿色化学研究的热点之一。国内外均在开发钛硅分子筛上催化氧化丙烯制环氧丙烷的原子经济新方法。此外，针对钛硅分子筛催化反应体系，开发降低钛硅分子筛合成成本的技术，开发与反应匹配的工艺和反应器仍是今后努力的方向。 BHC工艺是一个典型的原子经济性反应，不但合成简单，原料利用率高，而且无需使用大量溶剂和避免产生大量废物，对环境造成的污染小。Boots工艺肟化法从原料到产物要经过4步反应，每步反应中的底物只有一部分进入产物，所用原料中的原子只有40%进入最后产品中。而BHC工艺只需3步反应即可得到产品布洛芬，其原子经济性达到77%，也就是说新方法可少产废物37%。如果考虑副产物乙酸的回收，BHC 合成布洛芬工艺的原子有效利用率则高达99%。 环氧乙烷的生产，原来是通过氯醇法两步制备，采用银催化剂后，改为乙烯直接氧化成环氧乙烷的原子经济性反应。而合成乙二醇二乙酸酯(EGDA)的经典
催化燃烧原理及催化剂
催化燃烧的基本原理 催化燃烧是典型的气-固相催化反应，其实质是活性氧参与的深度氧化作用。在催化燃烧过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时催化剂表面具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行。借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H20, 同时放出大量热能，其反应过程为： 2 催化燃烧的特点及经济性 2.1催化燃烧的特点 2.1.1起燃温度低，节省能源 有机废气催化燃烧与直接燃烧相比，具有起燃温度低，能耗也小的显著特点。在某些情况下，达到起燃温度后便无需外界供热。 二、催化剂及燃烧动力学 2.1催化剂的主要性能指标 在空速较高，温度较低的条件下，有机废气的燃烧反应转化率接近100%，表明该催化剂的活性较高[9]。催化剂的活性分诱导活化、稳定、衰老失活3 个阶段，有一定的使用限期，工业上实用催化剂的寿命一般在2年以上。使用期的长短与最佳活性结构的稳定性有关，而稳定性取决于耐热、抗毒的能力。对催化燃烧所用催化剂则要求具有较高的耐热和抗毒的性能。有机废气的催化燃烧一般不会在很严格的操作条件下进行，这是由于废气的浓度、流量、成分等往往不稳定，因此要求催化剂具有较宽的操作条件适应性。催化燃烧工艺的操作空速较大，气流对催化剂的冲击力较强，同时由于床层温度会升降，造成热胀冷缩，易使催化剂载体破裂，因而催化剂要具有较大的机械强度和良好的抗热胀冷缩性能。 2.2催化剂种类 目前催化剂的种类已相当多，按活性成分大体可分3 类。2.2.1贵金属催化剂 铂、钯、钌等贵金属对烃类及其衍生物的氧化都具有很高的催化活性，且使用寿命长，适用范围广，易于回收，因而是最常用的废气燃烧催化剂。如我国最早采用的Pt-Al203 催化剂就属于此类催化剂。但由于其资源稀少，价格昂贵，耐中毒性差，人们一直努力寻找替代品或尽量减少其用量。2.2.2过渡金属氢化物催化剂 作为取代贵金属催化剂，采用氧化性较强的过渡金属氧化物，对甲烷等烃类和一氧化碳亦具有较高的活性，同时降低了催化剂的成本，常见的有Mn0x、CoOx和CuOx等催化剂。大连理工大学研制的含Mn02催化剂，在130C及空速13000h-1 的条件下能消除甲醇蒸气，对乙醛、丙酮、苯蒸气的清除也很有效果。
有机催化剂的应用及发展
催化化学综述 综述题目：有机催化剂的应用及发展 学院：＿ 专业：＿ 班级：＿＿＿ 学号：＿ 学生姓名：＿ 2013年 6月16日
有机催化剂的应用及发展 前言 在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率（既能提高也能降低），而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂（也叫触媒），在现代有机合成化学及化工中有着举足轻重的地位。现代化学工业产品的85％都是通过催化过程生产的，每种新催化剂的发现及催化工艺的研制成功，都会引起化学工业的重大革新。有机催化剂作为其中非常重要的一种，和我们生活的各个方面都有着联系，其发展历史也是几经波折，最终也取得了不错的成果。有机催化剂主要分为金属有机催化剂和非金属有机催化剂，其在社会生产中具有重要作用。
1.非金属有机催化剂 金属有机催化剂相反，非金属有机催化剂是指具备催化剂基本特征的一类不包含金属离子配位的低分子量有机化合物．此类非金属有机催化剂不同于通常的单纯以质子酸中心起主导作用的有机羧酸类、苯磺酸类有机催化剂，它是通过分子中所含的N，P等富电子中心与反应物通过化学键或范德华力形成活化中间体，同时利用本身的结构因素来控制产物的立体选择性。 1.1、非金属有机催化剂的种类 1、有机胺类：脯氨酸、咪唑啉酮类、金鸡纳碱类、Ⅳ杂环卡宾类、二酮哌嗪类、胍类、脲及硫脲类等； 2 、有机膦类：三烷基膦类、三芳基膦类等； 3 、手性醇类质子催化剂：如TADDOL类催化剂。 非金属有机催化剂和金属有机催化剂以及生物有机催化剂有着非常密切的联系，有的非金属有机催化剂例如叔膦本身又是金属有机催化剂很好的配体，还有些非金属有机催化剂显示出类似于酶的特性和催化机理．大量的研究发现大多数非金属催化剂有较高的催化活性，尤其是应用在不对称合成中，经其催化的反应大都有很好的收率和对映选择性，并且具有毒性低、价格低廉、容易制备、稳定性好、易于高分子固载等一系列优点，所以越来越受到各国化学家的重视。 1.2、非金属有机催化剂的应用 1.2.1.松香酯化催化剂 松香是自然界极其丰富的一种天然树脂 ,分为脂松香、浮油松香和木松香三种 ,松香具有防腐、防潮、绝缘、粘合、乳化、软化等特性 ,广泛应用于食品工业、胶粘剂工业、电子工业、医药和农药等 ,但松香性脆、易氧化、酸值较高、热稳定性差等缺点严重妨碍了它的应用。研究发现可以通过对松香进行化学改性 ,人为地赋予它各种优良性能 ,使其得到更广泛的应用。松香化学反应主要在枞酸型树脂酸分子的两个活性基团——羧基和共扼双键上进行。它的主要反应有:异构、加成、氢化、歧化、聚合、氨解、酯化、还原、成盐反应和氧化反应。松香的氢化和酯化是其中最主要的改性手段。
催化剂及催化燃烧技术
催化燃烧是借助催化剂在低温下(200～400℃)下，实现对有机物的完全氧化，因此，能耗少，操作简便，安全，净化效率高，在有机废气特别是回收价值不大的有机废气净化方面，比如化工，喷漆、绝缘材料、漆包线、涂料生产等行业应用较广，已有不少定型设备可供选用。 一、催化原理及装置组成 (1)催化剂定义催化剂是一种能提高化学反应速率，控制反应方向，在反应前后本身的化学性质不发生改变的物质。 (2)催化作用机理催化作用的机理是一个很复杂的问题，这里仅做简介。在一个化学反应过程中，催化剂的加入并不能改变原有的化学平衡，所改变的仅是化学反应的速度，而在反应前后，催化剂本身的性质并不发生变化。那么，催化剂是怎样加速了反应速度呢了既然反应前后催化剂不发生变化，那么催化剂到底参加了反应没有?实际上，催化剂本身参加了反应，正是由于它的参加，使反应改变了原有的途径，使反应的活化能降低，从而加速了反应速度。例如反应A+B→C是通过中间活性结合物(AB)过渡而成的，即： A+B→[AB]→C 其反应速度较慢。当加入催化剂K后，反应从一条很容易进行的途径实现： A+B+2K→[AK]+[BK]→[CK]+K→C+2K 中间不再需要[AB]向C的过渡，从而加快了反应速度，而催化剂并未改变性质。 (3)催化燃烧的工艺组成不同的排放场合和不同的废气，有不同的工艺流程。但不论采取哪种工艺流程，都由如下工艺单元组成。 ①废气预处理为了避免催化剂床层的堵塞和催化剂中毒，废气在进入床层之前必须进行预处理，以除去废气中的粉尘、液滴及催化剂的毒物。 ②预热装置预热装置包括废气预热装置和催化剂燃烧器预热装置。因为催化剂都有一个催化活性温度，对催化燃烧来说称催化剂起燃温度，必须使废气和床层的温度达到起燃温度才能进行催化燃烧，因此，必须设置预热装置。但对于排出的废气本身温度就较高的场合，如漆包线、绝缘材料、烤漆等烘干排气，温度可达300℃以上，则不必设置预热装置。 预热装置加热后的热气可采用换热器和床层内布管的方式。预热器的热源可采用烟道气或电加热，目前采用电加热较多。当催化反应开始后，可尽量以回收的反应热来预热废气。在反应热较大的场合，还应设置废热回收装置，以节约能源。 预热废气的热源温度一般都超过催化剂的活性温度。为保护催化剂，加热装置应与催化燃烧装置保持一定距离，这样还能使废气温度分布均匀。 从需要预热这一点出发，催化燃烧法最适用于连续排气的净化，若间歇排气，不仅每次预热需要耗能，反应热也无法回收利用，会造成很大的能源浪费，在设计和选择时应注意这一点。 ③催化燃烧装置一般采用固定床催化反应器。反应器的设计按规范进行，应便于操作，维修方便，便于装卸催化剂。 在进行催化燃烧的工艺设计时，应根据具体情况，对于处理气量较大的场合，设计成分建式流程，即预热器、反应器独立装设，其间用管道连接。对于处理气量小的场合，可采用催化焚烧炉，把预热与反应组合在一起，但要注意预热段与反应段间的距离。 在有机物废气的催化燃烧中，所要处理的有机物废气在高温下与空气混合易引起爆炸，安全问题十分重要。因而，一方面必须控制有机物与空气的混合比，使之在爆炸下限；另一方面，催化燃烧系统应设监测报警装置和有防爆措施。 二、催化燃烧用催化剂 由于有机物催化燃烧的催化剂分为贵金属(以铂、钯为主)和贱金属催化剂。贵金属为活性组分的催化剂分为全金属催化剂和以氧化铝为载体的催化剂。全金属催化剂是以镍或镍铬合金为载体，将载体做成带、片、丸、丝等形状，采用化学镀或电镀的方法，将铂、钯等贵金属沉积其上，然后做成便于装卸的催化剂构件。由氧化铝作载体的贵金属催化剂，一般是以陶
炼油催化剂的现状分析和技术进展
炼油催化剂的现状分析和技术进展 炼油催化剂在原油制造业中具有十分重要的应用，对我国基础油的工业生产水平的提高做出了卓越的贡献，目前国内外在炼油催化剂的投入以及取得的进展方面来看，我国的技术较欧美国家稍弱，但是由于近几年政府在原油上加大了投入，以及积极的引入欧美发达国家的技术，原油业也取得了不错的成果。文章就炼油过程中所使用的催化剂的种类及效用分析以及每项技术的发展前景展开论述。 标签：炼油催化剂；生产水平；现状分析；应用进展 1 炼油催化剂工业现状的特点分析情况 自从种类繁多的催化剂出产之后，它的发展的状况，对于以石油和化工等作为支柱的产业，以及人生存环境的维护等都有非常重要的促进作用，在国外的炼油催化剂制造业中以此种技术而达到了突出的进展，我们从宏观角度的产业发展看有以下两方面特点。 （1）为了使催化剂生产厂的收益日渐增多，现在出现生产厂家的多家兼融或连锁状况，从而稳固竞争中的地位，也方便对产品进行优化。 注明的Albemarle公司以6125亿美元在2004年5月购买了阿克苏公司的炼油催化剂这一重要业务，此行为使在美国以化学品著称的公司凭借特种化学品在市场上由第10的排位上升到第6位。此次收购后又开展了相关业务，所以Albemarle公司也因得到助力而一举成为世界上最大的催化剂生产商。 （2）根据市场状况的改变，积极的调整业务。在二十世纪九十年代初，世界上的催化裂化催化剂，其平均生产力每年约4万吨，全球超过4万吨及以上的公司一共有6家，由于催化剂的价低而重要，逐渐催化剂产业就开始占据世界大商场相关份额的1/3。其中有加氢的处理、加氢的裂化、加氢的精制、异构化以及石脑油催化重整等主要生产手段。在南方化学公司中炼油催化剂业务在炼提催化剂的技术取得了些成就。在脱芳技术的方面上，该公司研创的高度抗硫的ASAT脱芳催化剂，可用于多个方面，例如改质瓦斯油或者生产出超极清洁的燃料。 2 炼厂的各种催化剂种类介绍及效用进展分析 （1）催化轻汽油醚化、催化裂化轻汽油醚化后降低汽油烯烃的量并增加汽油辛烷值的活性炭负载杂多酸，并能使汽油减少雷德蒸气压，汽油含痒量增多，以及使汽油的稳定性得到很好的改进，当前的醚化催化剂大部分采取的是具强酸性的离子交换型树脂，从其名可知其具有很强的酸性，而且其还有一个特点就是低温转化时效率较高，其缺点就是热稳定性低、磺酸基易脱落以及失活之后就不能再生等。目前几年的研究，由于使用的特殊酸及多功能催化等优点的杂多酸受
催化剂制备方法大全
催 化 剂 的 制 备 方 法 与 成 型 技 术 总 结 应用化学系1202班 王宏颖 2012080201
催化剂的制备方法与成型技术 一、固体催化剂的组成： 固体催化剂主要有活性组分、助剂和载体三部分组成： 1.活性组分：主催化剂，是催化剂中产生活性的部分，没有它催化剂就不能产生催化作用。 2.助剂：本身没有活性或活性很低，少量助剂加到催化剂中，与活性组分产生作用，从而显著改善催化剂的活性和选择性等。 3.载体：载体主要对催化活性组分起机械承载作用，并增加有效催化反应表面、提供适宜的孔结构；提高催化剂的热稳定性和抗毒能力；减少催化剂用量，降低成本。 目前，国内外研究较多的催化剂载体有：SiO2，Al2O3、玻璃纤维网（布）、空心陶瓷球、有机玻璃、光导纤维、天然粘土、泡沫塑料、树脂、活性炭，Y、β、ZSM-5分子筛，SBA-15、MCM-41、LaP04等系列载体。 二、催化剂传统制备方法 1、浸渍法 （1）过量浸渍法 （2）等量浸渍法（多次浸渍以防止竞争吸附） 2、沉淀法（制氧化物或复合氧化物）（注意加料顺序：正加法或倒加法，沉淀剂 加到盐溶液为正，反之为倒加） （1）单组分沉淀法 （2）多组分共沉淀法 （3）均匀沉淀法（沉淀剂：尿素） （4）超均匀沉淀法 （NH4HCO3和NH4OH组成的缓冲溶液pH=9） （5）浸渍沉淀法 浸渍沉淀法是在浸渍法的基础上辅以均匀沉淀法发展起来的，即在浸渍液中预先配入沉淀剂母体，待浸渍单元操作完成后，加热升温使待沉淀组分沉积在载体表面上。此法，可以用来制备比浸渍法分布更加均匀的金属或金属氧化物负载型催化剂。 （6）导晶沉淀法 本法是借晶化导向剂（晶种）引导非晶型沉淀转化为晶型沉淀的快速有效方法。举例：以廉价易得的水玻璃为原料的高硅酸钠型分子筛，包括丝光沸石、Y型、X型分子筛。 3、共混合法 混合法是将一定比例的各组分配成浆料后成型干燥，再经活化处理即可。如合成气制甲醇用的催化剂就是将氧化锌和氧化铬放在一起混合均匀（适当加入铬
催化燃烧的性质
广州和风环境技术有限公司 https://www.360docs.net/doc/ab15956272.html,/ 催化燃烧的性质是什么 催化燃烧是借助催化剂在低温下(200～400℃)下，实现对有机物的完全氧化，因此，能耗少，操作简便，安全，净化效率高，在有机废气特别是回收价值不大的有机废气净化方面，比如化工，喷漆、绝缘材料、漆包线、涂料生产等行业应用较广，已有不少定型设备可供选用。 一、催化原理及装置组成 (1)催化剂定义催化剂是一种能提高化学反应速率，控制反应方向，在反应前后本身的化学性质不发生改变的物质。 (2)催化作用机理催化作用的机理是一个很复杂的问题，这里仅做简介。在一个化学反应过程中，催化剂的加入并不能改变原有的化学平衡，所改变的仅是化学反应的速度，而在反应前后，催化剂本身的性质并不发生变化。那么，催化剂是怎样加速了反应速度呢了既然反应前后催化剂不发生变化，那么催化剂到底参加了反应没有?实际上，催化剂本身参加了反应，正是由于它的参加，使反应改变了原有的途径，使反应的活化能降低，从而加速了反应速度。例如反应A+B →C是通过中间活性结合物(AB)过渡而成的，即：A+B→[AB]→C 其反应速度较慢。当加入催化剂K后，反应从一条很容易进行的途径实现：A+B+2K →[AK]+[BK]→[CK]+K→C+2K 中间不再需要[AB]向C的过渡，从而加快了反应速度，而催化剂并未改变性质。 (3)催化燃烧的工艺组成不同的排放场合和不同的废气，有不同的工艺流程。但不论采取哪种工艺流程，都由如下工艺单元组成。 ①废气预处理为了避免催化剂床层的堵塞和催化剂中毒，废气在进入床层之前必须进行预处理，以除去废气中的粉尘、液滴及催化剂的毒物。 ②预热装置预热装置包括废气预热装置和催化剂燃烧器预热装置。因为催化剂都有一个催化活性温度，对催化燃烧来说称催化剂起燃温度，必须使废气和床层的温度达到起燃温度才能进行催化燃烧，因此，必须设置预热装置。但对于排出的废气本身温度就较高的场合，如漆包线、绝缘材料、烤漆等烘干排气，温度
催化剂在工艺中的作用
催化剂在化学工艺中的作用 化学化工学院09级5班杨兴平学号：200910240535 摘要：20世纪特别是下半叶以来，由于催化科学和技术的飞速发展，使得数以 百计的工业催化剂开发成功，而数量更多的催化剂，在深刻认识的基础上，得以更新换代。新型催化剂正日益广泛和深入地渗透于石油炼制工业、化学工业、高分子材料工业、生物化学工业、食品工业、医药工业以及环境保护工业的绝大部分工艺过程中，起着举足轻重的作用。本文对催化剂在化学工艺中的作用进行一下简单介绍。 关键词：催化剂的用途；化学工业；分类；制作方法；纳米催化剂；展望 一、催化剂概述： (一) 定义 在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂，又叫触媒。 (二) 基本特性 ①催化剂能够加快化学反应速率，但本身并不进入化学反应的计量。②催化剂对反应具有选择性，即催化剂对反应类型、反应方向和产物的结构具有选择性。 ③催化剂只能加速热力学上可能进行的反应，而不能加速热力学上不能进行的反应。④催化剂只能改变化学反应的速率，而不能改变化学平衡的位置。⑤催化剂不改变化学平衡，意味着对正方向有效的催化剂，对反方向的反应也有效。(三) 用途 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。汽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。 1、催化剂在无机化工中的作用 在生产基本无机化工原料的领域中，主要以三酸两碱为核心，它们的产量巨大，是重要的化工原料。其中的硫酸和硝酸分别被称为“化学工业之母和炸药工业之母”，它们在工业和国防部门，都具有重要的价值。 生产硫酸过程中，SO2转化为SO3所用的催化剂，最初是NO2，但设备庞
相转移催化技术原理及应用
相转移催化技术原理及应用 摘要:介绍了相转移催化技术的基本原理, 分别讨论了液一液相转移催化反应、固一液相转移催化反应和三相催化反应的特点。着重记述了近年来相转移催化技术在医药工业和化工中的应用进展。采用相转移催化技术具有操作简便、反应条件温和、收率高、质量好等优点, 对于工业生产进行工艺技术改进、降低生产成本, 具有重要现实意义。 关键词：相转移催化技术、原理、医药工业、化工、应用进展 相转移催化反应( 简称PTC 反应) 是20 世纪60 年代发展起来的一种异相反应的新理论和方法。它能使采用传统方法难以实现的异相反应顺利进行，能够加快反应速率，降低反应温度，改变反应的选择性，抑制副反应发生。同时相转移催化反应无需使用价格昂贵的无水溶剂或非质子溶剂，且对碱的要求低，可以使用碱金属、碱土金属氧化物的水溶液。因此该技术的研究和应用得到了迅速发展。现在，相转移催化技术已经应用到了化学合成的绝大多数领域，涉及到医药、农药、香料、造纸、化工、制革、高分子材料等重要领域［1 ］。 1、相转移催化反应的原理 相转移催化反应虽然涉及的各种类型化学反应很多, 但概括起来可分为三大类: 液一液相转移催化、固一液相转移催化和三相催化。 1.1 固一液相转移催化 在固－液相转移催化反应中，应用较多的络合剂主要有冠 醚、穴醚和聚乙二醇类等，其中工业上使用较多的为价格低廉的聚乙
二醇等两亲类化合物。聚乙二醇是一类大众化工产品，结构呈螺旋构象它的催化机理与冠醚等的催化机理相似，均为通过氧原子与金属阳离子络合，将活性阴离子带入有机相，从而达到相转移催化的目的。聚乙二醇的自动活动的链可以形成与冠醚类似的环，且不受孔穴大小的限制，因此是理想的冠醚取代物，得到了广泛的应用。 1.2 液一液相转移催化 液－液相转移催化反应是在一个互不混溶的两相系统中进行。其中一相( 一般为水相) 为碱或含起亲核试剂作用的盐类，另一相为有机相，其中含与上述盐类起反应的作用物。在加入相转移催化剂后，这些物质中的阳离子是亲油性的，既溶于水相也溶于油相。当在水相中碰到分布在其中的盐类时，水相中过剩的阴离子便与相转移催化剂中的阴离子进行交换。因此，通常的相转移催化反应过程至少包括两个步骤: 一种反应物从本相转移至另一相；转移的反应物与没有转移的反应物发生反应。在相转移催化剂机理中，亲核取代反应发生在有机相，并且是控制步骤。 1.3 三相催化 为了解决相转移催化剂回收难、价格高的问题,近年来发展了一种新的相转移催化法: 三相催化反应, 将相转移催化剂连接在聚合物载体上, 它是一种不溶水也不溶于有机相的固体高分子, 因此称为三相催化剂, 也称聚合物催化剂。此法的显要优势是催化剂可定量回收, 干燥后活性不受影响, 可重复使用, 因此该领域研究开发的时间不长, 但发展很快, 并积累了大量的理论和实践经验, 在选择和
催化剂的制备方法及成型
催化剂的制备方法及成型 一催化剂的制备方法 1.1浸渍法 将含有活性组分（或连同助催化剂组分）的液态（或气态）物质浸载在固态载体表面上。此法的优点为：可使用外形与尺寸合乎要求的载体，省去催化剂成型工序；可选择合适的载体，为催化剂提供所需的宏观结构特性，包括比表面、孔半径、机械强度、导热系数等；负载组分仅仅分布在载体表面上，利用率高，用量少，成本低。广泛用于负载型催化剂的制备，尤其适用于低含量贵金属催化剂。 影响浸渍效果的因素有浸渍溶液本身的性质、载体的结构、浸渍过程的操作条件等。浸渍方法有：①超孔容浸渍法,浸渍溶液体积超过载体微孔能容纳的体积,常在弱吸附的情况下使用；②等孔容浸渍法，浸渍溶液与载体有效微孔容积相等，无多余废液，可省略过滤，便于控制负载量和连续操作；③多次浸渍法，浸渍、干燥、煅烧反复进行多次，直至负载量足够为止，适用于浸载组分的溶解度不大的情况，也可用来依次浸载若干组分，以回避组分间的竞争吸附；④流化喷洒浸渍法，浸渍溶液直接喷洒到反应器中处在流化状态的载体颗粒上，制备完毕可直接转入使用,无需专用的催化剂制备设备;⑤蒸气相浸渍法，借助浸渍化合物的挥发性，以蒸气相的形式将它负载到载体表面上，但活性组分容易流失，必须在使用过程中随时补充。 1.2沉淀法 用淀剂将可溶性的催化剂组分转化为难溶或不溶化合物，经分离、洗涤、干燥、煅烧、成型或还原等工序，制得成品催化剂。广泛用于高含量的非贵金属、金属氧化物、金属盐催化剂或催化剂载体。沉淀法有： ①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种方法。其特点是一次操作可以同时得到几个组分，而且各个组分的分布比较均匀。如果组分之间形成固体溶液，那么分散度更为理想。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值及其他条件都须满足各个组分一起沉淀的要求。 ②均匀沉淀法,首先使待沉淀溶液与沉淀剂母体充分混合，造成一个十分均匀的体系，然后调节温度，逐渐提高pH值，或在体系中逐渐生成沉淀剂等，创造形成沉淀的条件，使沉淀缓慢地进行，以制取颗粒十分均匀而比较纯净的固体。例如，在铝盐溶液中加入尿素，混合均匀后加热升温至90～100℃,此时体系中各处的尿素同时水解，放出OH-离子： 于是氢氧化铝沉淀可在整个体系中均匀地形成。 ③超均匀沉淀法,以缓冲剂将两种反应物暂时隔开，然后迅速混合，在瞬间内使整个体系在各处同时形成一个均匀的过饱和溶液，可使沉淀颗粒大小一致，组分分布均匀。苯选择加氢的镍／氧化硅催化剂的制法是：在沉淀槽中，底部装入硅酸钠溶液，中层隔以硝酸钠缓冲剂，上层放置酸化硝酸镍，然后骤然搅拌，静置一段时间，便析出超均匀的沉淀物。 ④浸渍沉淀法,在浸渍法的基础上辅以均匀沉淀法，即在浸渍液中预先配入沉淀剂母体，待浸渍操作完成后加热升温，使待沉淀组分沉积在载体表面上。 混合法多组分催化剂在压片、挤条等成型之前,一般都要经历这一步骤。此法设备简单，操作方便，产品化学组成稳定，可用于制备高含量的多组分催化剂，尤其是混合氧化物催化剂，但此法分散度较低。 混合可在任何两相间进行，可以是液-固混合(湿式混合)，也可以是固-固混合（干式混合）。混合的目的：一是促进物料间的均匀分布，提高分散度；二是产生新的物理性质(塑性)，便于成型，并提高机械强度。
新型催化剂在精细化工过程中的应用
新型催化剂在精细化工过程中的应用 化工091班何宝坤学号090006050117 摘要：化工业的发展使得各种新型化工材料得到了广泛的运用，分子筛催化剂作为一种新型催化剂，其微孔结构十分均匀，并且能够让适当的分子进入内部，这种特性使得气体和液体分子分离、离子交换及催化反应在化工业生产上得到了广泛的运用，分子筛催化剂因此在化工原料中逐渐成为新型催化剂。根据实际经验和相关的化工知识本文对分子筛催化剂这种新型催化剂在精细化工过程中的应用情况进行分析。 关键词：新型脂肪醇；精细化工；运用 催化剂制备共性技术及新型催化材料的开发得到高度重视，催化剂制备精细化是改进和提高催化剂性能的重要途径，而催化新材料则是催化剂更新换代和品种多样化的物质基础。新型催化剂和相应的催化工艺的出现，往往以催化新材料和精细化制备工艺为重要前提。国际上自20世纪80年代以来，在此方面的研究十分活跃，政府和许多公司投入大量人力和物力从事研究开发，并在相关领域中长期坚持研究。如联碳公司的磷铝、磷硅铝、金属磷铝分子筛和铑催化体系的磷配体，飞马公司的ZSM分子筛、法国石油研究院的金属有机络合物、杜邦公司的白钨矿结构氧化物、海湾石油公司的层状硅酸盐和硅铝酸盐、英国石油公司的石墨插层化合物、埃克森公司的双、多金属簇团等。 随着纳米技术在催化剂领域的应用，新研制的催化剂的效能大大提高。如：粒径小于0.3nm的镍和铜-锌合金的纳米颗粒的加氢催化剂的效率比常规镍催化剂高10倍。美国科学家发现一种称为钛硅酸盐ETS-4的物质能够作为良好的分子筛。当温度升高时，ETS-4会逐渐脱水，微孔的尺寸随之减小。利用这种方法，可以在3到4埃的范围内精确地调整微孔尺寸。 在开发新材料的基础上，借助催化剂制造精细化技术，有效地调节催化剂孔结构、孔分布、晶粒尺寸、粒径分布、形貌等，并通过控制活性组分分析与载体间相互作用等方法，提高催化剂性能。由于精准控制分子筛的结构使其呈现多样性，以及工业应用取得了意想不到的辉煌成就，使人们更加注意新型催化材料和精细化制备技术的开发。目前，较为活跃的研究领域主要
催化剂制备
纳米金属催化剂的制备方法 摘要:纳米金属催化剂的制备方法包括化学法和物理法。化学法中主要有溶胶-凝胶法、沉淀法、溶剂热合成法、微乳法和水解法等；物理法主要有气相凝聚法、溅射法和机械研磨法等。其中化学法中的溶胶-凝胶法及沉淀法应用最广。对纳米金属催化剂的制备方法进行了比较，并简要论述了制备及应用过程中存在的主要问题。 关键词:纳米;催化剂;制备方法 引言 纳米催化材料由于其特有的量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等性能，显现出许多特有性质，在催化领域的应用为广大催化工作者开拓了一个广阔空间，国际上已把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂，因此纳米材料在催化领域的应用日益受到重视。许多发达国家都相继投入大量人力、财力开展纳米粒子作为高性能催化剂的研究，如美国的Nano 中心，日本的Nano ST 均把纳米材料催化剂的研究列为重点开发项目。我国对纳米材料的研究也给以高度重视，国家“863”计划、“973”计划大力支持纳米材料及纳米催化剂的研究，已取得了可喜成果。目前，国内外纳米催化剂的制备和应用逐步拓展到催化加氢、脱氢、聚合、酯化、化学能源、污水处理等方面。纳米金属催化剂制备方法分为化学法及物理法：化学法包括溶胶-凝胶法、沉淀法、溶剂热合成法、微乳法和水解法等；物理法包括气相凝聚法、溅射法和机械研磨法等。 1 化学法制备金属纳米催化剂 1.1 溶胶-凝胶法 该法一般是以金属盐或半金属盐作前驱体，将适当的烷氧化物如四甲氧基硅烷与水、酸性或碱性催化剂与共熔剂，在搅拌超声下进行水解和缩聚反应形成SiO2 三维网络结构。在成胶过程中引入的金属组分包埋在三维网络结构中，再进行凝胶老化过程，即将凝胶浸于液体中，继续聚合反应，凝胶强度增加。最后通过干燥，将溶剂从相互关联的多孔网格中蒸发掉，即可得到纳米尺寸的网格结构。溶胶-凝胶技术已成为实现化学剪裁合成纳米材料的主要手段。但该法使用的原料价格较昂贵；通常整个溶胶-凝胶过程所需时间较长，有时长达几天或几周；而且凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中将逸出许多气体及有机物，并产生收缩。溶胶-凝胶法还被用来制备复合纳米金属催化剂，如KeijiHashimoto等人利用溶胶-凝胶工艺制备了K+[Zn3(SiO3Al)10(OH)2]- 纳米粒子用于醇脱氢反应。李永丹等人还利用溶胶-凝胶法制备了镍基催化剂，并对其进行了甲烷分解制备碳纳米管的研究，所制备的纳米管直径为10~20nm。雷翠月也利用此法，直接制备出了高比表面积、低堆积密度的纤维状纳米级负载CuO-Al2O3 超细粒子，活性组分以远低于纳米级的微晶粒子簇状态均匀地分散在纳米级氧化铝载体表面，在500℃内具有较高的稳定性，晶粒未聚集长大，在十二醇催化胺化反应中表现出了较高的催化活性。陈立功等人在醇催化胺化反应研究中开发了一种改进的溶胶-凝胶法，利用这种方法制备的铜基纳米催化剂的活性和稳定性都有了显著提高。 1.2 沉淀法
催化剂在生活中的应用
催化剂在生活中的应用 参加者：李洋班级：高一（2）班地点：合肥市时间：暑假 现将此次实践活动的有关情况报告如下： 催化剂会诱导化学反应发生改变，而使化学反应变快或减慢或者在较低的温度环境下进反应。 催化剂在工业上也称为触媒。化学催化剂的应用历史很长，特别在石油化工、精细化工、有机化工和生 物化工中，可以说，催化技术已成为化学工业最关键的核心技术之一。据统计，到目前为止，人类所掌握 的化学反应80%以上必须在催化剂存在下才能实现。在化学工业生产中，最常用的催化剂是无机酸和无机 碱。催化剂对化学反应速率的影响非常大，有的催化剂可以使化学反应速率加快到几百万倍以上。催化剂 一般具有选择性，它仅能使某一反应或某一类型的反应加速进行。例如，加热甲酸发生分解反应，一半进 行脱水，一半进行脱氢。催化剂在现代化学工业中占有极其重要的地位。现在几乎有半数以上的化工产品， 在生产过程里都采用催化剂。例如，合成氨生产采用铁催化剂，硫酸生产采用钒催化剂，乙烯的聚合以及 用丁二烯制橡胶等三大合成材料的生产中，都采用不同的催化剂。 由氯酸钾分解制取氧气，除了用二氧化锰作催化剂以外，还可用氧化铁、粗食盐、氧化铜、氧化镁、氧化 铬、褐色细砂、粘土等作催化剂。但它们的催化作用，依次减弱。 燃煤催化剂一般选择最廉价的原料——废弃物。试验证明, 许多废弃物具有明显的催化燃烧作用, 且具 有环境保护的效能。常用燃煤催化剂的废气物有: 第一,煤灰。煤灰是煤中灰分在燃烧过程形成的剩余物。 煤中的灰分是内在的催化剂。灰分过多不利于燃烧, 过少也很难着火。第二, 造纸黑液。造纸厂排放的碱 性黑液含有大量K2CO3, Na2CO3, KOH, NaOH 和Ca( OH) 2 等, 它是效果较好的燃煤催化剂。将干燥的 造纸黑液适量加入煤中, 可使煤的着火温度降低30 ℃～50 ℃, 促使煤完全燃尽。另外, 它还有脱硫作用, 脱硫率可达到35%～58% , 这对环境保护是有利的。第三, 碱厂废液。碱厂废液中含有大量CaCO3 和少 量CaCl2, 适当加入这种废液有利于煤着火燃烧, 同时也具有脱硫作用, 脱硫率可达到44%以上。第四, 铁矿石粉, 铁矿开采过程中产生的铁矿石粉, 其中富含Fe2O3, 是较好的燃煤催化剂原料。有的铁矿石山 不具备开采价值, 经多年的风化, 山坡多积存大量的铁矿石粉末, 可以收集使用。第五, 草木灰。草木灰中 含有KOH , 冲水过滤后可以得到溶液, 晒干后便可从溶液中提取用作燃煤催化剂的粗品KOH。第六, 石 灰。生石灰和熟石灰均可作为燃煤催化剂原料, 其中要特别强调的是Ca2+明显具有脱硫的作用。除上述 几种之外, 其他可用作燃煤催化剂的废弃物还有很多, 例如废弃的白泥、炼铁炉炉渣、电石废渣以及某些 化工厂的废液等等。 总的来说, 燃煤催化剂提高了煤的挥发分析出速率, 降低了煤的着火温度, 缩短了点火延迟时间, 加 快了焦炭燃尽速率, 并具有脱硫脱氮的明显作用( 提高了固硫率和固氮率) 。其次, 加入催化剂后, 锅炉燃 烧趋于完全, 在锅炉蒸发量略有增大的情况下, 煤耗量有所降低, 汽煤比相对提高6.02%。尽管变化幅度 不大, 却说明催化剂能够改善锅炉燃烧工况, 提高了锅炉热效率。 ( 1) 在煤中添加某些碱金属或碱土金属化合物可不同程度地起到促进燃烧作用。燃煤催化剂在煤炭燃 烧中能有效地降低煤炭着火温度, 同时起到促进燃烧和减少污染排放的作用。催化剂为原料煤在燃烧过程 中提供了燃烧初期必需的氧气, 提高了煤炭颗粒的燃烧速度, 即使煤质不好, 通过添加催化剂, 也可以保 证锅炉的燃烧情况和出力负荷, 充分利用了煤炭资源。 ( 2) 含催化剂C 的矿粉是效率较好的催化剂, 价廉、来源广、有很好的工业应用前景; 煤脱硫助燃材 料, 适用于各种工业锅炉、电站锅炉燃煤过程中SO2 的脱除。 ( 3) 在煤燃烧以及煤中S 与N 向SO2 及NO 转化的过程中, FeCl3 既起到催化剂的作用, 同时又 起吸收剂的作用。FeCl3 催化作用表现在降低了SO2 和NO 生成反应的表观活化能。 ( 4) 煤脱硫助燃材料”内含有钙、镁和催化剂, 煤炭燃烧时, 产生的二氧化硫、三氧化硫与钙化合成亚硫 碳
RCO催化燃烧技术
RCO催化燃烧VOCs有机废气处理技术 挥发性有机化合物(VOCs)是一类毒性大、污染严重的化学物质。目前VOCs的污染问题日益受到各国的高度重视，我国颁布的《大气污染物综合排放标准》，规定了各类有机污染物在空气中严格的排放标准。国内外VOCs污染控制方法目前主要有吸附法、吸收法、生物处理技术、膜分离技术、直接燃烧法、催化燃烧法等。其中，催化燃烧法是一种高效清洁燃烧技术，主要利用催化剂使有机废气在较低的温度条件下充分燃烧。相对其他处理技术，催化燃烧具有显著的优点：起燃温度低能耗少，处理效率高，无二次污染等，使之成为目前前景广阔的VOCs有机废气治理方法之一。高效催化燃烧催化剂是催化燃烧技术的关键核心，以块状载体作为骨架基体的催化剂称为规整结构催化剂，也称为整体式催化剂。由于具有特殊孔道结构，这类催化剂改善了催化反应床层上的物质传递，提高了催化效率，降低了压力，减少了操作费用，在石油化工、精细化工等多相催化反应中得到越来越广泛的应用。 RCO有机废气催化燃烧技术在日本、美国和西欧被广泛地应用于VOCs的治理，工艺设备非常成熟，相关的技术标准和使用规范已经非常完善，一些大公司都有自己的企业标准，对工艺设计、催化剂的性能要求、反应器制造和工程控制措施等都有详细的规定。不同的燃烧工艺组合，形成4种基本的燃烧工艺方式：催化燃烧（换热），直接燃烧（换热），回热催化燃烧（RCO），回热燃烧（RTO）。在此基础上还形成了转轮富集燃烧，陶瓷过滤器等方式。RCO有机废气催化燃
烧技术是指在催化剂的作用下，使有机废气中的碳氢化合物在温度较低的条件下迅速氧化成水和二氧化碳，达到彻底治理的目的。 一、RCO有机废气催化燃烧工艺原理： 催化净化是典型的气固相催化反应，其实质是活性氧参与的深度氧化作用。在催化净化过程中，催化剂的作用是降低活化能，同时催化剂表面具有吸附作用，使反应物分子富集于表面提高了反应速率，加快了反应的进行；借助催化剂可使有机废气在较低的起燃温度条件下，发生无焰燃烧，并氧化分解为CO2和H2O，同时放出大量热能，从而达到去除废气中的有害物的方法。 在将废气进行催化净化的过程中，废气经管道由风机送入热交换器，将废气加热到催化燃烧所需要的起始温度。 经过预热的废气，通过催化剂层使之燃烧。由于催化剂的作用，催化燃烧法废气燃烧的起始温度约为250～300摄氏度，大大低于直接燃烧法的燃烧温度650～800摄氏度，高温气体再次进入热交换器，经换热冷却，最终以较低的温度经风机排入大气。 二、RCO有机废气催化燃烧装置的工艺流程： 废气经阻火器过滤后，通过主进阀、旁通阀的同步反向切换调节进入热交换器，热交换器的热气升高一定温度后进入预热室、经过预热室的加热使废气升温到催化起燃温度（250度）然后进入催化反应床，在催化剂的活性作用下，有机废气进行氧化反应生成无害的水和二氧化碳，并放出一定的热量。反应后的高温气体再次进入热交换器，经换热后，最后以较低的温度经引风机排入大气。催化燃烧是借助催