Kemiassa puhutaan heterogeenisestä katalyysistä, kun katalyytti ja reagenssit ovat useissa vaiheissa . Katalyytti on yleensä kiinteä ja reagoivat aineet ovat kaasumaisia tai vesiliuoksessa . Heterogeeninen katalyysi on ensisijaisen tärkeä monilla kemianteollisuuden ja energia-alan alueilla. Tärkeyttä heterogeenisen katalyysin korostuu läpi Nobel-palkinnot ja Fritz Haber 1918 Carl Bosch vuonna 1931, Irving Langmuir vuonna 1932 ja Gerhard Ertl vuonna 2007.
Kiinteässä tilassa oleva katalyytti katalysoi reaktion nestefaasissa tai kaasufaasissa .
Reaktio tapahtuu kiinteän ja kaasufaasin rajapinnalla. Siksi se on sitäkin tehokkaampi, koska tämä pinta on tärkeä. Tästä syystä katalyytteillä on yleensä erittäin suuret ominaispinnat . On myös mahdollista maksimoida suhde katalyytin kosketuspinnan ja käytetyn katalyytin massan välillä dispergoimalla tämä katalyytti toiseen kiinteään aineeseen, kuten keraamiseen vaahtoon, joka toimii sen tukena.
Useimmissa teollisissa sovelluksissa tätä tyyppiä käytetään. Itse asiassa tämän tyyppisessä prosessissa katalyytti voidaan ottaa talteen yksinkertaisella suodatuksella tai kiinnittää reagoivan aineen virtaukseen. Tämä tekee mahdolliseksi sekä ottaa talteen helposti, jotta sitä voidaan käyttää uudelleen, että myös välttää toimenpiteet katalyytin erottamiseksi tuotteista reaktion lopussa.
Heterogeeninen katalyyttireaktio tapahtuu kaavion mukaan, joka sisältää useita vaiheita (yleensä seitsemän).
Seitsemän vaihetta ovat seuraavat:
Hiilivetyjen hapettumisessa oksideilla P. Mars ja DW van Krevelen ovat ehdottaneet redoksityyppistä mekanismia. Tässä reaktiivinen laji on happiatomi oksidin verkon (muodossa O 2- ), joka reagoi hiilivety. Tämä happi regeneroidaan sitten hapen saapuessa kaasufaasista.
Tämän tyyppisessä mekanismissa reaktio tapahtuu katalyytin pinnalle adsorboituneiden lajien välillä. Tämä tarkoittaa siis sitä, että reaktion kannalta välttämättömiä lajeja on läsnä katalyytin pinnalla. Tämä ei tarkoita, että kaikkien reaktiossa mukana olevien lajien on oltava läsnä. Reaktioissa, joissa on useita lajeja ja useita vaiheita, substraatti voi liikkua myös katalyytin pinnalla ja reagoivat aineet. Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden hapettumisen yhteydessä tähän mekanismiin liittyy pinnan reaktio hapen ja VOC: n välillä. Molemmat adsorboidaan aktiivisiin samantyyppisiin sivustoihin. Hapen ja VOC: n adsorptio voi olla dissosiatiivista reagoivien aineiden mahdollisen kilpailun kanssa niiden välillä.
Toisin kuin edellisessä mekanismissa, tässä reaktio tapahtuu katalyytin pinnalle adsorboituneen lajin ja adsorboimattoman lajin välillä. VOC-yhdisteiden katalyyttisen hapetuksen tapauksessa vain VOC tai happi adsorboituu katalyytin pinnalle, mikä antaa mahdollisuuden sanoa, että reaktio tapahtuu adsorboidun VOC-molekyylin ja kaasumassa olevan happimolekyylin välillä tai päinvastoin.
Vaikka suurin osa heterogeenisistä katalyytteistä on kiintoaineita, on olemassa monia muunnelmia.
Reagointivaihe | Annetut esimerkit | Kommentti |
---|---|---|
kiinteä + kaasu | Synteesi ammoniakin N 2 + H 2 rauta-katalyytit | |
kiinteä + liuos | Rasvahappojen hydraus nikkelillä | Käytetään margariinin valmistamiseen |
sekoittumattomat nestefaasit | Hydroformyloinnissa of propeenia | Katalyytti vesifaasissa, reagenssit ja tuotteet pääasiassa vedettömässä faasissa |
Teolliset prosessit | Reagenssit, tuote (t) | Katalysaattori (t) | Kommentti |
---|---|---|---|
Rikkihapon synteesi
( Yhteystapa ) |
SO 2 + O 2 , SO 3 | vanadiumpentoksidi | Nesteytys SO 3 tuottaa H 2 SO 4 |
Ammoniakin synteesi
( Haber-prosessi ) |
N 2 + H 2 , NH 3 | kaliumhydroksidilla modifioitu rauta | Noin 80% NH 3: n tuotannosta käytetään lannoitteiden ja 10% typpihapon tuotantoon. |
Typpihapon synteesi | NH 3 + O 2 , HNO 3 | Pt - Rh- kankaat | suorat reitit N 2: sta eivät ole taloudellisia |
Synteesikaasun tuotanto metaanireformaatiolla | CH 4 + H 2 O, H 2 + CO 2 | alumiinioksidilla tuettu nikkeli | Ympäristöystävällisempi reitit H 2 mukaan veden jakaminen etsitään aktiivisesti |
Metanolin synteesi
( ICI- prosessi ja Lurgi-prosessi ) |
CO + H 2 , CH 3 OH | CuO / ZnO / Al 2 O 3 | CH 3 OH on välituote kemianteollisuudessa ja tuotantoa varten nestemäisten polttoaineiden |
Synteesi etyleenioksidin | C 2 H 4 + O 2 , C 2 H 4 O |
metallinen hopea tuettu alumiinioksidin ,
(monien promoottorien kanssa ) |
heikosti sovellettavissa muihin alkeeneihin |
Katalyyttinen krakkaus | C n H 2n + 2 , C m H 2m + 2 + C 3 H 6 | happokatalyytti | parantaa tuotetun bensiinin laatua |
Isomerointi | pentaani - heksaani , substituoidut parafiinit | joko kloorattu alumiinioksidi, joka sisältää 0,3% platinaa , tai mordeniittityyppinen zeoliitti, joka sisältää myös Pt) | tuottaa substituoituja parafiineja ( korkea oktaaniluku ) |
Öljyn rikinpoisto ( rikinpoisto ) | H 2 + sulfidi hiilivety, RH + H 2 S | Mo - Co on Al 2 O 3 | tuottaa vähän rikkipitoisia hiilivetyjä, rikki otetaan talteen Claus-prosessilla |