Metode Generale de Preparare a Catalizatorilor

În timpul funcţionării activitatea catalizatorului este condiţionată de doi factori:

1. activitatea intrinsecă sau activitatea catalitică a unităţii de suprafaţă

2. dimensiunea suprafeţei accesibile pentru moleculele de reactant (S).

Deci activitatea totală este egală cu produsul dintre activitatea intrinsecă şi gradul de utilizare al catalizatorului (factorul de eficacitate) care depinde de regimul cinetic sau de difuzie, după condiţiile în care îl exploatăm.

Pentru o anumită activitate catalitică este necesară :

- o anumită compoziţie chimică,

- o anumită structură

- un anumit grad de nesaturare.

Toţi catalizatorii sunt solide termodinamic instabile, care tind să ajungă la starea stabilă, acesta fiind motivul pentru care ei îmbătrânesc, respectiv îşi pierd activitatea.

Deci, dacă sunt solide termodinamic instabile, înseamnă că prin modificarea parametrilor reacţiei de geneză, se asigură acumularea de energie liberă superficială.

Excesul de energie liberă a catalizatorului este diferenţa dintre energia liberă a solidului activ catalitic şi energia liberă minimă corespunzătoare stării termodinamice stabile:

; în care

=exces de energie liberă a catalizatorului;

= energia lineră a solidulu activ;

= energia liberă corespunzătoare stării termodinamice stabile.

Conform teoriei suprasaturării a lui Roghinskii, energia excedentară caracteristica unui catalizator şi definită ca “suprasaturare”, exprimă starea energetică activă a suprafeţei.

Energia excedentară poate fi :

- Suprasaturare de fază = o compoziţie chimică de fază, anormală din punct de vedere chimic.

- Suprasaturarea de structură = structura cristalină să nu fie cea caracteristică pentru compusul stabil;

- Suprasaturarea de dispersie= reprezintă o stare instabilă termodinamic;

- Suprasaturarea de impurităţi.

Suprasaturarea superficială sau energia de exces reprezintă o măsură a lucrului maxim a reacţiei generice a solidului care se definesc astfel:

în care

K= constanta de echilibru a reacţiei de formare a solidului activ;

K’= termen similar lui K în care intervin concentraţiile curente ale substanţelor participante la reacţia de formarea solidului.

Suprasaturarea maximă rezultă din valori ale raportului K/K’ cât mai departe de unitate.

Proprietăţile catalitice ale solidului vor rezulta din instabilitatea termodinamică a corpului solid, datorită conţinutului excedentar de energie liberă.

Cele mai favorabile condiţii pentru obţinerea solidelor catalitice vor fi:

- Cristalizarea solidului din soluţii foarte concentrate;

- Formarea solidului în condiţii de amestecare intensă a reactanţilor;

- Formarea solidului la concentraţii ale reactanţilor cât mai departe de concentraţia de echilibru;

- Folosirea variaţiei de temperatură a mediului funcţie de efectul termic al reacţiei de formare a fazei solide.

Ex.

Dacă dorim să obţinem NiO din NiCO3

- Faza catalitică activă este NiO

Precursor este NiCO3

Pentru a obţine NiO activ , lucrăm la presiuni cât mai mici faţă de valoarea de echilibru la temperatura dată şi rezultă cristale de NiO mici, neregulate, mult dispersate, cu structură dezordonată, active catalitic.

Etapele de preparare a unui catalizator

Prepararea unui catalizator presupune următoarele etape:

1. selectarea compuşilor chimici iniţiali, ţinând seama de natura fazei catalitice active şi de reacţiile specifice pe baza cărora urmează să se obţină faza activă.

2. purificarea materiilor prime.

3. transformarea materiilor prime în combinaţii chimice dorite, prin procese specifice de precipitare, coprecipitare, descompuneri termice, reacţii topochimice; etc.

4. fasonarea sau aducerea catalizatorului solid într-o formă geometrică şi mărime granulometrică anumită.

5. uscarea solidului.

6. calcinarea şi activarea termică.

Etapele 1 şi 2 sunt etape preliminare nespecifice.

Etapa 3 constituie etapa esenţială de elaborarea catalizatorilor.

Etapele 4, 5 şi 6 sunt etape cu caracter de tratamente finale ale catalizatorilor. Principalele operaţii unitare din tehnologiile de preparare a catalizatorilor solizi.

a. Metoda I (clasică)

Schema este prezentată mai jos.

Spălarea urmăreşte eliminarea sărurilor rezultate în urma schimbului ionic în faza de precipitare care pot impurifica masa catalizatorului final.

Fasonarea ajută la aducerea precursorilor la o anumită granulare şi formă geometrică convenabilă pentru exploatarea catalizatorului în reactorul industrial.