کاتالیزور یک ماده شیمیایی بوده که جهت سرعت دادن حالت تعادل ماده شیمیایی دیگر نقش مهمی ایفا می کند.این ماده کاربردهای مهم و زیادی در صنعت شیمیایی دارد که اصلی ترین آن، افزایش سرعت واکنش های شیمیایی است.در صورتی که ماده شیمیایی دیگر به حالتی از تعادل برسد و کاتالیزگر دستخوش تغییر نشود، واکنش صحیح انجام گرفته است.
در تاریخچه ماده شیمیایی کاتالیزور آمده است که گوستاو با هیدرولیز کردن نشاسته به قند، اولین کاتالیزور را کشف کرد.همفری دیوی شیمیدانی بریتانیایی بود که توانست واکنش هیدروژن و اکسیژن را در حضور کاتالیزگر پلاتین انجام دهد.بعدها مایکل فارادی فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی توضیح داد که دلیل افزایش سرعت واکنش توسط کاتالیزور چیست.تکنولوژی اصلی کاتالیزگرها به نیمه دوم قرن 20 باز می گردد و در سال ها 1950-1960 ترکیبات مهمی کشف و تولید شد.
انواع ماده شیمیایی کاتالیزور
تاریخچه ماده شیمیایی کاتالیزور، بیان می کند که انواع این ماده شیمیایی کدام ها هستند:بطور کلی این ماده به دو صورت مرغوب و نامرغوب تقسیم بندی می شوند.کاتالیزورهای مرغوب مواد شیمیایی هستند که تنها اجازه شکل گیری یک محصول را بدهند.کاتالیزورهای نامرغوب نیز مواد شیمیایی هستند که اجازه تشکیل چند نوع محصول را به واکنش شیمیایی می دهد.با توجه به نقش این ماده در تاریخچه ماده شیمیایی کاتالیزور، خصوصیات مشترکی میان کاتالیزورها وجود دارد.
کاتالیزورها در زمینه تغییر دادن و دستخوش تغییر قرار گرفتن دارای ویژگی های زیر می باشند:
- کاتالیزگرها ماده هایی شیمیایی هستند که در سرعت بخشیدن واکنش شیمیایی اثر می گذارند.
- کاتالیزگرها قادر نیستند موقعیت تعادلی را در واکنش شیمیایی برگشت پذیر تغییر دهند.
- کاتالیزگرها در زمان واکنش های شیمیایی دستخوش تغییرات شیمیایی نمی شوند.
- کاتالیزگرها در طی انجام واکنش های شیمیایی ممکن است از لحاظ فیزیکی دستخوش تغییراتی شوند.
ویژگی‌های یک کاتالیزور خوب
- فعالیت بالایی داشته باشد
- مساحت سطح بالایی داشته باشد.
- گرمای جذب سطحی آن متوسط باشد.
- مقاومت مکانیکی بالایی داشته باشد
- پودر نشود
- ساییده نشود
- تغییر آرایش ندهد
- عملکرد مناسب در دماهای عملیاتی داشته باشد
- خاصیت گزینش پذیری
- محصولات جانبی کم باشد
- عمر مفید بالایی داشته باشد.
کاتالیزورهای همگن و ناهمگن
در کاتالیزورهای همگن، ماده‌ای که به عنوان کاتالیزور به کار می‌رود با مواد واکنش دهنده در یک فازند؛ ولی در یک کاتالیزگر ناهمگن یا کاتالیزور سطحی، مواد واکنش دهنده و کاتالیزگر در دو فاز مجزا در کنار هم هستند و واکنش در سطح کاتالیزور صورت می‌گیرد.نمونه‌ای از کاتالیزور همگن در فاز گازی اثر کلر در تجزیه دی نیتروژن اکسید است.گاز دی نیتروژن اکسید در دمای اتاق گاز نسبتاً بی اثری است؛
اما در دماهای نزدیک به صد درجه طبق معادله زیر تجزیه می‌شود (2N2O(g) ⟶ 2N2 (g) + O2 (g)
غیرفعال شدن کاتالیزور
این ماده دارای عمر مفید و معین هستند و با گذشت زمان از فعالیت و تأثیر آن در واکنش کاسته می‌شود یعنی نقاط فعالی روی آن ماده وجود دارد که این نقاط به مرور زمان مسموم می‌شوند.مسمومیت می‌تواند:ایجاد لایه ضخیم از ماده واکنش دهنده بر روی کاتالیزور دهد.باعث تغییر آرایش بلوری کاتالیزور شود.باعث جذب ناخالصیها در نقاط فعال شود.
فرایند تصفیه با هیدروژن
فرایند تصفیه در پالایش نفت دارای اهمیت زیادی است.به علت گرانی هیدروژن این روش تا مدت‌ها توسعه چندانی نیافته بود؛ ولی از زمانی که توانستند هیدروژن ارزان قیمت از واحد رفرمینگ بدست بیاورند در پالایشگاه‌ها گسترش یافت.هدف عملیات تصفیه با هیدروژن حذف یا کاهش ترکیبات گوگردی، نیتروژن‌دار و اکسیژن‌دار فلزات و ترکیبات سیر نشده است.کاتالیزورهایی که در عملیات تصفیه با هیدروژن به کار می‌روند اکسیدها یا سولفیدهای فلزاتی چون Co,Ni,Fe بر روی پایه اکویین می‌باشند.
سموم کاتالیزور
سموم کاتالیزور موادی هستند که کاتالیزورها را از فعالیت باز می‌دارند.مثلا مقدار کمی آرسنیک توانایی پلاتین را که کاتالیزور تبدیل سولفور دی‌اکسید ،بهسولفور تری‌اکسید است، از بین می‌برد.
احتمالا در این عمل بر سطح پلاتین ، پلاتینم ارسیند تشکیل می‌شود و فعالیت کاتالیزوری از میان می‌رود. جذب اتیلن ، کاتالیزور را موقتا مسموم می‌کند، درحالیکه جذب پلاتین ، کاتالیزور را بطور دائم مسموم می‌کند.
اختصاصی بودن فعالیت کاتالیزور
فعالیت کاتالیزورها عمدتا بسیار اختصاصی است. در پاره‌ای موارد ، کاتالیزور معین موجب سنتز نوعی محصولات خاص از بعضی مواد می‌شود، حال آنکه کاتالیزور دیگر موجب سنتز محصولات کاملا متفاوت دیگری از همان مواد می‌شود.البته در این موارد امکان وقوع هر دو واکنش از لحاظ ترمودینامیکی میسر است.مثلا کربن مونوکسید و هیدروژن بر هم اثر می‌کنند و بسته به شرایط واکنش و نوع کاتالیزگر مصرف شده ، محصولات بسیار متنوعی ایجاد می‌کنند.اگر کبالت یا نیکل بعنوان کاتالیزور بکاربرده شود، مخلوطی از هیدروکربنها بوجود می‌آورد. در این جا نیکل بعنوان یک کاتالیزور نامرغوب عمل می‌کند.
و اگر مخلوطی از روی و اکسید کرم بعنوان کاتالیزگر مصرف شود، از واکنش متانول تولید می‌شود.
برای این واکنش ، نیکل یک کاتالیزور مرغوب است.کاتالیزگر مرغوب کاتالیزوری است که انتخابی عمل کند.
غیر فعال شدن کاتالیزور
معمولا تمام کاتالیزورها دارای یک عمر معین هستند که پس از سپری شدن آن فعالیت موثر آنها کاهش می‌یابد که ممکن است بطور ناگهانی یا تدریجی باشد (افت فعالیت). در چنین مواقعی معمولا بسته به نوع و مکانیسم غیر فعال شدن ، باید این ماده را بازیابی یا جایگزین کرد. در این مواقع باید تصمیم بگیریم که آن را تعویض یا احیا کنیم. تصمیم بر اساس مکانیسم های غیر فعال شدن است و مهمترین و متداولترین مکانیسم غیر فعال شدن عبارت است از:
- در کاتالیزورهای نفتی ، تجزیه هیدروکربنها در دمای بالا موجب تشکیل لایه ضخیمی از کربن غیر فعال روی سطوح کاتالیزور می‌گردد که همین دوره باعث می‌شود که روی سایت کاتالیزور پوشیده و از کار می‌افتد.
- پدیده دوم مربوط به مسموم شدن کاتالیزگر می‌باشد. این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که ماده جذب شونده باعث تعییر آرایش این ماده می‌شود. آرایش بلوری در فعالیت کاتالیزور نقش اساسی دارد. تغییر آرایش بلوری باعث غیر فعال شدن آن می‌شود. عواملی مانند سولفور این پدیده را ایجاد می‌کند.
- عامل سوم مربوط به وجود ناخالصیهای فلزی در سطح کاتالیزور می‌باشد. این ناخالصیها در مناطق فعال ، جذب و فعالیت این ماده را کاهش می‌دهند.
- اورگانومتالیکهای فلزی معمولا به مقدار بسیار به عنوان کاتالیستها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از تجزیه ناخواسته این کاتالیستها در دمای بالا اورگانومتالیکهای تیتانیم و وانادیم ایجاد شده، ضمن بلوکه کردن کانالهای کاتالیکی باعث کاهش فعالیت این ماده می‌شوند.
- معمولا ساختمان کاتالیزورها یک ساختمان متخلخل و پرزدار است. حفره های میکرونی در روی کاتالیزگر وجود دارد که شوکهای حرارتی باعث مسدود شدن این میکرو پرزها می‌گردد. بنابراین شوکهای حراراتی ممکن است فعالیت این ماده را کاهش دهد.
بازیابی
- این ماده را می‌توان با عبور هوای گرم احیا کرد.
- در مکانیسم های دیگر از وجود ناخالصیها که باعث مسموم شدن این ماده می شود جلوگیری کرد.
کاتالیزورهای جامد
- جامد فلزی: مناسب واکنشهایی هستند که مواد واکنشی از هیدروژن و یا هیدرو کربن تشکیل شده‌اند. عمده کاتالیزورهای این دسته از عناصر واسطه تشکیل می‌گردد. مثل نقره ، پلاتین ، آهن و نیکل و پالادیم.
معمولا ویژگی این فلزات و کاتالیزورها به گونه ای است که هم هیدروژن و هم هیدروکربن به راحتی در سطح این ماده جذب می‌گردند. این کاتالیزورها برای واکنشهای هیدروژن و هیدروژن‌گیری مناسب است و برای واکنشهای اکسیداسیون مناسب نیست، چون احتمال اکسید شدن خود فلزات هم وجود دارد. - کاتالیزورهای اکسید فلزی: اکسید روی ، اکسید نیکل ، اکسید منگنز ، اکسید کروم ، اکسید بیسموت ، اکسید مولیبدن. ویژگی این کاتالیزورها در این است که می‌توانند در واکنش ، اکسیژن مبادله کنند (یعنی می‌توانند اکسیژن را دوباره به حالت اول برگردانند).
- کاتالیزروهای اکسید فلزی _ عایق: اکسید منیزیم ، اکسید آلومینیم ، سیلیس. این کاتالیزورها بعنوان جاذبه الرطوبه مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- کاتالیزورهای زیگلر _ ناتا: در پلیمریزاسیون استفاده می‌شود. نسل جدیدی از کاتالیزورهای زیگلر _ ناتا در متالوسیون استفاده می‌شود.
عوامل موثر در فعالیت و راههای افزایش سطح کاتالیزور
- سطح کاتالیزور،
- قدرت و استحکام پیوند جذبی
- پودر کردن یعنی افزایش سطح بطریق فیزیکی
- ایجاد خلل و فرج و کانالهای بسیار ظریف میکروسکوپی در بدنه کاتالیزور،
- نشاندن کاتالیزور روی بستری از آلومینا و زولیت
- متخلخل کردن این ماده
منابع : ویکی پدیا ، دانشنامه رشد ،
