催化劑的種類和現(xiàn)狀

何璐紅,趙 揚(yáng),曾漢辰

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院,河南 鄭州 450042)

1 催化劑制備和種類

1.1 制備

催化劑的使用和制備是催化工藝最主要的兩個方面,但只有制得性能十分優(yōu)良并可以正確的利用,才能在催化工程中發(fā)揮最大的作用,使原材料的利用率達(dá)到最大化、減少人力、財力的浪費。

催化劑的制備方法多種多樣,即使所用的原材料一樣,可能由于制法的不同,最后得到的催化劑作用也會不同。目前,制備催化劑所用的主要方法有:沉淀法、浸漬法、離子交換法、熔融法。不過隨著新型催化材料的不停的呈現(xiàn)出來,也有新的制備技術(shù)出現(xiàn),如微乳液技術(shù)、超臨界技術(shù)、膜技術(shù)等[1]。

1.1.1 沉淀法

在可溶性的催化劑(如金屬鹽類的水溶液)成分中加入沉淀劑(如堿性物質(zhì)),使可溶性的化合物從溶液中沉淀出來轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶性化合物,經(jīng)過過濾、洗滌、干燥、焙燒、成型、活化等一系列的步驟最后得到成品催化劑。在沉淀法制備催化劑時,應(yīng)考慮溶液的濃度、溫度、pH值和進(jìn)料順序(順序加入、逆向加入)等因素的影響[2]。

1.1.2 浸漬法

浸漬法是將載體浸泡在含有活性組分的氣體或液體中,與載體接觸一段時間后,載體表面富含活性組分,當(dāng)活性組分不能附著在載體表面時,將多余的液體除去,然后通過干燥、焙燒、活化等步驟獲得催化劑[3]。

浸漬方法的優(yōu)點:可以使用已成型的和載體的尺寸,消除催化劑的成型過程;可以選擇合適的載體,提供催化劑所需的物理結(jié)構(gòu),如機(jī)械強(qiáng)度、孔徑;假如在附載組分過多的活性物質(zhì)分布在載體表面上,利用率高,成本低,這對于一些價值特別貴的金屬催化劑起了很重要的作用。浸漬法又包括過量、等體積溶液、多次、蒸汽等四種浸漬法。

1.1.3 微乳液技術(shù)

“微乳液”最早是由Hoar和Schulma兩人提出,是兩種或多種不互溶液形成的性質(zhì)穩(wěn)定、外觀透明或者半透明的溶液體系,微觀上由水、油、表面活性劑(及助表面活性劑)按照一定的比例混合而形成的。不同于“乳狀液”,微乳液性質(zhì)非常的穩(wěn)定,分散相質(zhì)點很小,并且經(jīng)過高速離心分離后也不易發(fā)生分層[4]。

其中以微乳液法制備納米催化劑最為常見。將普通催化劑的反應(yīng)溶于微乳液中,然后猛烈攪拌另一個反應(yīng)產(chǎn)生反應(yīng)(沉淀、氧化、還原等)。反應(yīng)過后加入一些特定的溶液去除表面的油性物質(zhì)和表面活性劑,最后經(jīng)過干燥、焙燒,得到納米催化劑[5]。微乳液法制備納米催化劑時,應(yīng)選擇合適的微乳液體系確保納米聚集體的均勻性。

微乳液因其獨特的性質(zhì)在化工行業(yè)、制藥行業(yè)、化妝品行業(yè)、食品行業(yè)、尤其是在石油開采、利用領(lǐng)域有著無法取代的作用。20世紀(jì)90年代以后,人們對于微乳液技術(shù)的應(yīng)用起了濃厚的興趣,也從側(cè)面促進(jìn)了“微乳液技術(shù)制備催化劑”的發(fā)展,但在利用微乳液制備催化劑還存在著一些問題:如何處理制備催化劑之后遺留的油性物質(zhì)和其他的廢料、如何大規(guī)模的生產(chǎn)催化劑等一系列問題。目前來看,已經(jīng)出現(xiàn)了超臨界流體、水凝膠、超濾膜等與微乳液相結(jié)合的技術(shù)。

1.2 種類

按照催化劑的形態(tài)可以分為固體催化劑和液體催化劑;根據(jù)催化劑的反應(yīng)體系,可分為均相催化劑和非均相催化劑。均相催化劑即反應(yīng)物和催化劑處于均相狀態(tài)(如液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)),反應(yīng)發(fā)生時不受相的限制。非均相催化劑與均相催化劑相反,反應(yīng)物和催化劑的形態(tài)不同;按照反應(yīng)的類型又可以為了裂化、汽化、加氫、脫氫、氧化、聚合、縮聚等;還有相較于以上催化劑較“綠色”的光催化和生物催化等[6]。

2 不同催化劑的現(xiàn)狀

2.1 光催化劑

盧秋杭等人在《光催化劑的種類及制備與研究進(jìn)展應(yīng)用》中[7],簡述了光催化劑可分為:納米金屬氧化物光催化劑、表面耦合型納米半導(dǎo)體光催化劑、鈣鈦礦型氧化物結(jié)構(gòu)光催化劑三種類型,并列舉不同種類的催化劑的制備方法,簡述其步驟和方法的優(yōu)勢;概括了光催化劑在污水處理方面、空氣凈化方面、抗菌方面、涂料方面、能源方面等的應(yīng)用現(xiàn)狀和帶給人類的益處,并對光催化劑研究做出總結(jié),提出了未來降低成本、提高利用率和回收率、提高光催化劑穩(wěn)定性為研究方向,開發(fā)更高效的光催化劑、優(yōu)化催化過程,應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域。

2.2 生物催化劑

饒國華、趙某明在生物催化氧化酶工業(yè)化研究進(jìn)展中闡述了“蛋白酶”的概念[8],并對“蛋白酶”與“生物催化劑”的關(guān)系進(jìn)行了綜述,重點論述了具有催化功能生物酶的分類:單加氧酶、雙加氧酶、過氧化物酶、其他加氧酶;以及它們的酶在各自領(lǐng)域發(fā)揮的重要作用。指出了目前生物催化劑在工業(yè)研究中還存在的問題:氧化反應(yīng)在生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)內(nèi)還具有一定的局限性、是否具有生物化學(xué)輔助因子在內(nèi)的電子傳導(dǎo)系統(tǒng)、低催化率、低穩(wěn)定性;但這些問題也為將來研究人員研究生物催化劑提供了一個明確的目標(biāo),基于現(xiàn)有和新開發(fā)的技術(shù),一定會研發(fā)出更有效的生物氧化酶體系。

2.3 固體酸催化劑

趙德志、安高軍等人在《固體酸催化劑及其Prins反應(yīng)催化劑性能研究進(jìn)展》[9]中,綜述了固體酸催化劑及其原理在固體酸催化劑及其催化性能方面的研究進(jìn)展,固體酸催化劑可分為非負(fù)載型固體酸催化劑和負(fù)載型固體酸催化劑并對兩種固體酸催化劑進(jìn)行比較,相較于前者,后者具有載體熱穩(wěn)定性高、反應(yīng)條件溫和、分離容易、用量小等等優(yōu)良特性,是未來研究的方向和聚焦點;詳細(xì)說明了固體酸催化劑制備方法、結(jié)構(gòu),并對Prins反應(yīng)生成C-C鍵機(jī)理進(jìn)行了探索。最后對固體酸催化劑,特別是負(fù)載型固體酸催化劑的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

2.4 加氫催化

董福華等人在《加氫催化劑預(yù)硫化技術(shù)現(xiàn)狀分析》[10]解釋了預(yù)硫化反應(yīng)的基本原理和硫化劑的選取、處理方式。所述裝置中的預(yù)硫化包括以下步驟: 氣相和液相預(yù)硫化工藝;外部預(yù)硫化包括載硫體內(nèi)活化和全硫活化兩種方式。簡述了加氫催化劑內(nèi)外處理技術(shù)的優(yōu)缺點,分析了兩種固化劑處理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀最后得出結(jié)論,反應(yīng)器內(nèi)預(yù)硫化技術(shù)將成為加氫催化劑預(yù)硫化技術(shù)的主要手段。

3 結(jié)論

目前,需要克服許多問題,如能源的日益減少;人口數(shù)量的迅速增長;重輕工業(yè)的發(fā)展使壞境變的越來越惡劣,自然生態(tài)惡化;有毒化學(xué)污染等等。如果不制備催化劑和新的催化劑,這些問題無法克服[11]。“催化劑”從問世以來,不知不覺在生活中承擔(dān)了一個很重要的角色。經(jīng)過長時間的發(fā)展,世界上制備催化劑技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域逐步完善。然而,我國在催化劑研究方面,無論是在新型催化劑和助催化劑的開發(fā),還是在新技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)的推廣方面,都還有很大的發(fā)展空間。