工业催化剂的制备与使用
催化剂在工业制备中的应用
催化剂在工业制备中的应用一、催化剂的基本概念催化剂是一种通过改变化学反应的反应速率、提高反应选择性、或降低反应活化能来促进化学反应进行的物质。
催化剂能够加速反应进程，但并没有被反应所消耗，也不会改变反应的末态，催化剂并不是反应的原料和产物。
催化剂广泛应用于各个领域，如化工、石油、医药等。
二、催化剂在有机合成化学中的应用有机合成化学是一种前沿的、高度复杂的领域。
催化剂在有机合成化学中具有广泛应用，可以加速反应、降低副反应的发生和反应条件的选择性等。
例如，在合成有机物的过程中，常使用催化剂如酸、碱、过渡金属等，以促进反应的进行。
此外，在医药领域中，催化剂也被广泛应用。
许多药物的生产都借助于催化剂来促进反应的进行。
催化剂的应用使得生产效率提高、产物纯度提高、反应利用率提高。
三、催化剂在石油化学领域的应用石油是目前最重要的化石能源之一，在石油化学领域催化剂的作用也是不可或缺的。
在石油化工过程中，许多催化剂如酸、碱、氧化剂、选择性催化剂等得到了广泛的应用。
例如在汽油催化裂解过程中，采用催化剂可以使裂解产物的质量提高、烯烃产物的选择性增大、烷基裂解的消耗减少。
在煤气化与合成氨生产中也有应用催化剂的情况。
这些过程采用催化剂可以使得反应过程得以快速进行，同时也可以改变反应的选择性。
四、催化剂在环境保护领域的应用催化剂在环境保护领域的应用越来越广泛。
例如，在汽车排放控制方面，采用催化剂可以使废气中的有害气体通过催化反应转化成无害的气体。
在工业废水处理中，也大量使用催化剂。
催化剂可以将工业废水中的有害物质转换为其他化合物，实现工业废水的净化。
催化剂使用量的减少、催化剂用于可再生能源的应用、催化剂用于清洁能源的应用将成为催化剂未来的研究重点。
五、结论催化剂是化学反应中不可或缺的组成部分，具有广泛的应用价值。
随着科学技术的不断发展，催化剂的应用范围也不断扩大。
未来，催化剂的研究将继续向着高效、低成本、绿色、环保等方向发展，为人类的生产生活带来更多的福音。
08 催化剂制备基本原理
催化剂制备方法的复杂性 催化剂是催化工艺的灵魂，制备方法很多，尽管原料和用量完全 相同，但所值得的催化剂性能可能有很大的差异。 制备过程比较复杂，许多微观因素较难控制，目前科学水平还不 足以说明催化剂的奥秘； 催化剂的生产技术高度保密，影响了制备理论的发展。制备方法 在一定程度上还处于半经验的探索阶段。
目前工业上使用的催化剂，大多数是固体催化剂，本章介绍 的催化剂制备，除特别指出者外，都限于此类型。 催化剂制备一般经过三个步骤： (1) 选择原料及原料溶液配制。选择原料必须考虑原料纯度( 尤其是毒物的最高限量)及催化剂制备过程中原料互相起化学作 用后的副产物(正、负离子)的分离或蒸发去除的难易。 (2) 通过诸如沉淀、共沉淀、浸溃、离子交换、化学交联中 的一种或几种方法，将原料转变为微粒大小、孔结构、相结构 、化学组成合乎要求的基体材料。 (3) 通过物理方法(诸如洗涤、过滤、干燥、再结晶、研磨、 成型)及化学方法(诸如分子间缩合、离子交换、加热分解、氧 化还原)把基体材料中的杂质去除，并转变为宏观结构、微观结 构以及表面化学状态都符合要求的成品。
负载型催化剂制备方法 浸渍法中最通常是把活性组分的金属盐水溶液添加到具有 所要求特性的载体中使其浸渍，然后干燥、煅烧、活化。 活性组分在孔内外的分散状态，与浸渍液的浓度，所加浸 渍液的体积与孔容的比率，浸渍方法与时间，干燥方法， 有无其它竞争吸附剂、杂质的存在等有关。
载体的选择
不同载体对镍催化剂也有明显的影响。已知下列催化剂中Ni 的比表面的顺序为：Ni-SiO2＞Ni-Al2O3＞Ni-SiO2-Al2O3，但 是这些催化剂对乙烷的加氢裂解的活性顺序为：Ni-Al2O3＞ Ni-SiO2＞Ni-SiO2-Al2O3，可见Ni-Al2O3活性较高的原因不是 比表面所引起，而可能是所提供的原子簇配位络合态不同。 在工业催化剂中，对高温或强放热反应，主要是要考虑催 化剂的耐热性，因而应选用载体的高温稳定相
催化剂培训材料培训课件PPT工业催化剂制备与使用
• 对沉淀剂选择有以下要求：
① 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
涤、干燥、粉碎和机 械成型，最后经500℃ 焙烧活化得到 γ-Al2O3。
– 该法生产设备简单、 原料易得且产品质量 稳定。
② 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－ ==== Al2O3·nH2O↓
易洗涤。
④ 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。
⑤ 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。
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。
工业催化剂的设计和制备
工业催化剂的设计和制备随着现代工业的发展，越来越多的化学反应需要催化剂的参与。
催化剂的作用是降低反应活化能，提高反应速率，从而使反应更加高效和经济。
因此，正确的催化剂的选择和设计，对于工业生产的质量和效率具有重要的影响。
本文将重点阐述工业催化剂的设计和制备的方法和技术。
一、催化剂的分类和应用催化剂广泛应用于化学、石油、煤化工、环境保护等领域。
按照性质分类，催化剂主要可分为酸性催化剂、碱性催化剂和氧化还原催化剂。
按照形态分为固定床催化剂、流态化催化剂和替代性催化剂等。
酸性催化剂一般用于裂解、酯交换、酰基化等有机合成反应中。
碱性催化剂则主要用于酯化、酰胺化、烷基化等反应，而氧化还原催化剂则适用于氧化、还原、脱氢、羰基化等反应。
固定床催化剂在工业生产中广泛应用。
例如，用于合成苯乙烯的催化剂是以氯化铝为主，将其催化合成苯乙烯。
对于氧化剂来说，固定床催化剂也应用得很多。
以铵金属盐为主，用于制备硝酸和氰化物等化合物。
二、催化剂的设计原则催化剂设计是一个复杂的过程，需要考虑许多方面的因素。
催化剂设计的原则主要有以下几点:1.选择适当的活性成分活性组分是催化剂的核心，应该根据反应物质的性质和反应类型的特点来选择适当的活性成分。
常见的活性成分包括钯、铂、铜、镍、铁、钼等，其中钯和铂是常见的氧化还原催化剂的活性成分，铜则是一种催化裂化反应的优良催化剂。
2.确定适当的载体材料催化剂的载体材料主要是支持活性组分在反应条件下保持稳定性。
选取的载体材料应具有良好的耐热性、机械强度和尺寸适应性等性质。
常见的载体材料包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、活性炭和小分子有机化合物等。
3.优化催化剂结构催化剂的结构对其催化性能有着重要的影响。
优化催化剂结构可通过改变催化剂的形貌、晶体结构和孔道大小来实现。
例如，在合成铂催化剂时，通过改变碳^ 模板的大小和形状，可以制备具有不同孔径和形状的铂纳米催化剂。
三、催化剂的制备技术催化剂的制备技术对催化剂性能有着至关重要的影响。
工业催化剂的制备方法和性能调控策略
工业催化剂的制备方法和性能调控策略工业催化剂是一种能够促进化学反应的物质，广泛应用于化工、石油、环保等行业中。
它们的制备方法和性能调控策略对于提高催化效率和降低能耗至关重要。
一、制备方法工业催化剂的制备方法主要包括物理法和化学法两种。
物理法包括沉积法、浸渍法和共沉淀法等，通过控制沉积剂的沉积方式和条件来制备催化剂。
化学法则是利用化学反应在载体上生成活性组分，如浸渍法可以通过溶液中的金属离子和载体表面上的活性位点发生反应，生成活性组分。
此外，还有一些先进的制备方法，如溶胶-凝胶法、微乳液法和超临界流体法等，这些方法具有制备简单、成本低等优点。
二、性能调控策略催化剂的性能调控策略可分为物理调控和化学调控两类。
物理调控包括调节催化剂的结构、形态和孔隙结构等，通过调控这些因素可以改变催化剂的表面积、孔径大小以及负载量等，从而达到提高活性和选择性的目的。
化学调控则是通过改变催化剂中的元素组成、粒径大小和价态等，来调控催化剂的催化性能。
例如，调节催化剂中金属的导电性和表面能，可以改变催化剂表面的电子状态，从而调控催化活性。
三、催化剂的表征与评价催化剂的表征与评价是进一步了解催化剂性能的重要手段。
常用的表征方法包括X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等，在这些表征方法的基础上，可以得到催化剂的晶体结构、形貌和红外光谱信息，这些信息对于了解催化剂的构型和表面吸附特性至关重要。
催化剂的评价则是通过一系列实验来评估其催化性能，如实验反应速率、选择性和稳定性等。
催化剂的表征与评价结果可以指导催化剂的性能调控策略。
四、催化剂的应用领域及前景工业催化剂广泛应用于化工、石油和环保等领域，在有机合成过程中可以提高反应效率、降低能耗和排放等。
石油催化剂可以用于石油加工中的催化裂化、重整、加氢和均质氢化等反应，有效提高石油转化率和产品质量。
环境催化剂则可以用于废水处理、尾气净化等领域，将有害物质转化为无害物质。
制备工业催化剂的方法
制备工业催化剂的方法工业催化剂是指用于促进或加速化学反应的物质，广泛应用于许多生产过程中，如炼油、化工、能源等。
制备工业催化剂的方法有很多种，下面将介绍几种常见的制备方法。
一、沉淀法沉淀法是制备工业催化剂的常用方法之一、该方法通过在溶液中加入还原剂使金属离子还原成金属颗粒，然后沉淀得到催化剂。
该方法简单易行，适用于大规模生产。
二、浸渍法浸渍法是指将载体浸入金属溶液中，使金属离子被载体吸附，并通过热处理将金属还原成金属颗粒。
浸渍法可使金属颗粒分散均匀，催化剂活性较高。
三、沉积法沉积法是将金属源溶于溶剂中，然后将溶液喷洒在载体表面，通过烘干和热处理将金属还原成金属颗粒，从而制备催化剂。
该方法适用于制备高活性催化剂。
四、共沉淀法共沉淀法是将金属源和载体溶解在同一溶剂中，通过调节条件使金属沉淀到载体表面，再进行热处理得到催化剂。
共沉淀法制备的催化剂具有高分散性和高活性。
五、焙烧法焙烧法是将金属前驱体或金属盐溶于溶剂中，通过热处理使金属变得稳定且易于使用，然后得到催化剂。
焙烧法制备的催化剂适用于高温条件下的反应。
六、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是将金属前驱体溶于溶剂中，通过加热使其形成溶胶，然后通过凝胶化得到凝胶，在热处理过程中形成催化剂。
该方法制备的催化剂具有高度分散性和活性。
七、离子交换法离子交换法是将金属离子与载体接触，通过离子交换反应将金属离子固定在载体上，形成催化剂。
离子交换法制备的催化剂具有高度分散性和稳定性。
综上所述，制备工业催化剂的方法有很多种，选择适当的制备方法取决于催化剂的要求和实际应用。
通过不断研究和创新，制备高效、高分散性和高稳定性的工业催化剂对促进化工和工业生产的发展具有重要作用。
催化剂的制备及其在化学工业中的应用
催化剂的制备及其在化学工业中的应用化学工业的发展离不开催化剂的应用，催化剂是一种能够在化学反应中降低能量损耗和速率的物质。
催化剂的应用不仅在化学工业中广泛应用，也涉及到环境保护，纳米技术以及生物工艺和医学领域等，因此，研制和制备更加高效、具有广泛适用性的催化剂已经成为了化学工程领域中的热门研究方向之一。
一、催化剂的制备催化剂的制备是一种复杂的过程，一般需要从纳米级别开始，通常的方法是先选择合适的载体，然后将羟基或氨基含量丰富的化合物分散到载体材料中。
目前主流的催化剂制备方法有：物理法、生物法、化学合成法、模板法和纳米法等。
1.物理法物理法主要是通过熔融、蒸发、小分子交换等方式制备出具有特殊形状和结构的纳米材料。
常见的物理法制备催化剂的方法有：热沉积法、化学气相沉积法、蒸发冷凝法、纳米微晶合成法、电弧放电法等。
2.生物法生物法指的是利用生物体制造、分离、提取具有特殊催化性质的物质的过程。
一般可以通过糖类、蛋白质和DNA等高分子材料来制备具有特定功能群的催化剂，这些催化剂不仅具有很好的活性，而且其生产过程通常比普通催化剂生产过程更环保可持续。
3.化学合成法化学合成法是一种将原子和分子按照特定的化学配方进行组装的过程，常用的化学合成法制备催化剂有：溶浸、共沉淀、沉淀、交换、均质化学合成等。
4.模板法模板法是指在局部区域延伸至整个材料表面的结构中，使用有序分子间作为模板，利用有机化学合成法合成出高级有序结构的新型催化材料。
常用的模板法包括：硅胶模板合成法、胶体晶体模板合成法、介孔材料模板合成法等。
5.纳米法纳米法制备催化剂的常用方法是利用纳米化技术将已经存在的催化剂“压缩”成纳米尺度，在这个过程中，催化剂分子之间的数目减少，提高了化学反应的主动力。
同时，纳米化后的催化剂具有更高的活性、选择性和耐久性。
二、催化剂在化学工业中的应用催化剂的应用范围非常广泛，特别是在化学工业中，催化剂的应用使得许多关键的化学过程变得更加高效、经济，同时也减少了化学污染排放。
第4章 工业催化剂的制备、成型与使用
举例
沉淀法 水合氧化物，如氢氧化铁等的制备
浸渍法 混合法
贵金属负载到金属氧化物载体Al2O3 或 SiO2 等载体上
氧化铁-氧化铬CO 变换催化剂的制备
熔融法 合成氨的铁催化剂的制备
沥滤法 瑞尼镍催化剂的制备
… ……
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§1 沉淀法制备工业催化剂
沉淀法是借助沉淀反应，用沉淀剂(如碱类物质) 将可溶性的催化剂组分(金属盐类的水溶液)转化为 难溶化合物，再经过滤、洗涤、干燥、焙烧、成型 等工序制得成品催化剂。
老化阶段的变化 ① 细晶体逐渐溶解，并沉积到粗晶体上，……， 获得颗粒大小较为均一的粗晶体 ② 孔隙结构和表面积发生变化，原来吸留在细晶 体之中的杂质随溶解过程转入溶液 ③ 初生的非稳定结构的晶体，会逐渐变成稳定的 结构
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五、沉淀物的过滤、洗涤、 干燥、焙烧、成型和还原操作
1. 过滤与洗涤
悬浮液的过滤，可使沉淀物与水分开，同时除 去NO3-、SO42-、Cl-、K+、Na+、NH4+等离子。
一、沉淀过程和沉淀剂的选择
沉淀产生的条件 ——形成沉淀物的离子浓度积大于该条件下的
浓度积Ksp 沉淀物的形成过程，包括两方面： 1) 晶核的生成，-- 形成沉淀物的离子相互碰撞生 成沉淀的晶核 2) 晶核的长大，-- 溶质分子在溶液中扩散到晶核 表面，晶核继续长大成为晶体
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图 难溶沉淀的生成速率示意组图
4.浸渍沉淀法 盐溶液浸渍操作完成后，再加沉淀剂，
而使待沉淀组份沉积在载体上。
沉淀法分类
6.超均匀共沉淀法
将沉淀操作分成两步进行，先制成盐溶液的悬 浮层，并将这些悬浮层立即瞬间混合成为超饱和 的均匀溶液；然后由超饱和的均匀溶液得到超均 匀的沉淀物。
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工业催化 第五章
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图 温度对晶核生成速度的影响
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工业催化 第五章
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• 加料顺序不同，直接影响沉淀过 程中的pH值，因 而对沉淀物的性能也会有很大的影响。
•加料顺序有：
•顺加法——把沉淀剂加到金属盐溶液中。
•逆加法——把金属盐溶液加到沉淀剂中称为逆加法。
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§5.1 沉淀法制备工业催化剂
一、沉淀法
沉淀法是制备固体催化剂最常用的方法之一，广 泛用于制备高含量非贵金属、金属氧化物、金属盐催 化剂和载体。
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工业催化 第五章
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1. 沉淀过程和沉淀剂的选择
沉淀作用给予催化剂基本的催化剂属性，沉淀物实际 上是催化剂或载体的前驱物，对所制得的催化剂的活 性、寿命和强度有很大影响。
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3. 均匀沉淀法与共沉淀法
⑴ 均匀沉淀法
不是把沉淀剂直接加入到待沉淀溶液中，也不是 加沉淀剂后立即沉淀，而是首先使待沉淀溶液与沉淀 剂母体充分混合，造成一个均匀的体系，然后调节温 度，使沉淀剂母体加热分解，转化为沉淀剂，从而使 金属离子产生均匀沉淀。
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工业催化剂的制备与使
第五章 工业催化剂的制备与使用
§5.0 引言
一、工业催化剂的要求
⑴ 活性高 ⑵ 选择性好 ⑶ 在使用条件下稳定 ⑷ 具有良好的热稳定性、机械稳定性和杭毒性能 ⑸ 价格低廉
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二、工业催化剂活性
化学组成 物理性质 催化剂形状、颗粒大小、物相、相对密度、比表 面积、孔结构和机械强度等。
影响反应的催化活性，彰响催化剂的使用寿命， 更重要的是影响反应动力学和流休力学的行为。
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催化剂制备方法
对于负载创催化剂来说，载体的选择对机械强度 影响很大，成型的方法及使用的设备也直接影响到催 化剂的机械强度。
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图 不同方法制备的辛烯醛加氢催化剂的性能
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表 共沉淀时复盐化合物生成的可能性
Al3+ Mg2+ Ca2+ Zn2+
Cu2+ + –
–
+ Zn2+
Al3+ +
Mg2 Ca2+ + ––
Zn2+
Fe3+ + +
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⑶ 形成的沉淀物必须便于过滤和洗涤。 ⑷ 沉淀剂必须无毒，不应造成环境污染。
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工业催化 第五章
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2. 沉淀条件的选择 ⑴ 浓度 ⑵ 温度 ⑶ pH值 ⑷ 加料顺序 ⑸ 搅拌
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图 晶核生成、长大速度与溶液饱和度的关系
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⑵ 共沉淀法
将含有两种以上金属离子的混合溶液与一种沉 淀剂作用，同时形成含有几种金属组分的沉淀物，称 为共沉淀法。
共沉淀的特点是几个组分同时沉淀，各组分间 达到分子级的均匀混合，在热处理（煅烧）时可加速 组分间的固相反应。
利用共沉淀的方法可以制备多组分催化剂，这是 工业生产中常用的方法之一。
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选择沉淀剂应满足下列技术和经济要求
⑴ 生产中常用的沉淀剂有： 碱类（NH3·H2O、 NaOH、KOH）； 碳酸盐（Na2CO3、(NH4)2CO3、CO2）； 有机酸（乙酸、草酸）等。 其中最常用的是NH3·H2O和(NH4)2CO3。
⑵ 沉淀剂的溶解度要大，形成的沉淀物溶解度要小。
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工业催化 第五章
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在沉淀过程中采用什么沉淀反应，选择什么样 的沉淀剂，是沉淀工艺首先要考虑的问题。
同一催化剂可以从不同的原料开始制造，如镍， 可以制成Ni(OH)2沉淀或NiCO3沉淀；
同一种离子可以以正离子状态存在，也可以以 负离子状态存在，如Cr3+与CrO4–。
原料形态的选择应根据生产过程特点加以选择。
•并加法——把金属盐溶液和沉淀剂同时按比例加到
•
中和沉淀槽中。
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搅拌加强溶液的湍动，减小扩散层厚度δ、加大 扩散系数D。
搅拌有利于晶粒长大，同时促进晶核的生成，但 对后者的影响微弱。
随着搅拌速度的提高，开始时急剧增加；
当达到一极值后，再继续提高搅拌速度时，晶粒 长大速度就基本不变。
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表 预沉淀剂和所利用的反应
生成的 阴离子 OH–
PO43– C2O42– SO42– SO42– S2–
S2–
CO32– CrO42–
预沉淀剂
尿素 三甲基磷酸 尿素或HC2O4– 二甲基硫酸 磺酰胺 硫代乙酰胺 硫脲 三氯乙酸盐 尿素与HCrO4–
反应
(NH2)2CO + 3H2O → 2NH4+ + CO2 + 2OH– (CH3)3PO4 + 3H2O → 3CH3OH + H3PO4 2HC2O4– + (NH2)2CO + H2O → 2NH4+ + CO2 + 2 C2O42– (CH3)2SO4 + 2H2O → 2CH3OH + 2H+ + SO42– NH2SO3H + H2O → NH4+ + H+ + SO42– CH3CSNH2 + H2O → CH3CONH2 + H2S (NH2)2CS + 4H2O → 2NH4+ + CO2 + 2OH– + H2S 2CCl3CO2– + H2O → 2CHCl3 + CO2 + CO32– 2HCrO4– + (NH2)2CO + H2O → 2NH4+ + CO2 + 2 CrO42–
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图 催化剂性能与组成、结构及制备方法之间的关系
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图 催化剂的机械强度的影响因素
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工业催化 第五章
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制造方法 沉淀法 浸渍法
混合法 熔融法 沥滤法 热分解法
表 常用的固体催化剂制造方法
举例 水合氧化物，如氢氧化铁等的制备 贵金属负载到金属氧化物载体Al2O3或SiO2 等载体上 氧化铁-氧化铬CO变换催化剂的制备 合成氨的铁催化剂的制备 雷尼镍催化剂的制备