کاتالیزگرها موادی هستند که سرعت واکنشهای شیمیایی را افزایش می‌هند ولی در واکنش مصرف نمی‌شوند.
کاتالیزگرها چه در کاربردهای صنعتی وچه در فرآیندهای بیولوژیکی اهمیت بسیاری دارند زیرا در واکنشهای صنعتی لازم است که سرعت واکنش به طریقی مثلاً استفاده از کاتالیزگرها افزایش داده شود تا تولید فرآورده‌های حاصل از ان از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد، اگر چه میتوان با افزایش دما سرعت واکنش را به مقدار قابل توجهی افزایش داد ولی از آن جا که افزایش دما با مصرف انرژی همراه است، چنین اقدام صرفه‌ی اقتصادی نخواهد داشت، از سوی دیگر بسیاری از مواد نسبت به گرما حساس هستند و در اثر گرما تجزیه می‌شوند به همین دلیل مناسبترین راه این است که برای سرعت دادن به واکنشهای شیمیایی از کاتالیزگر استفاده گردد.
کاتالیزگرها در فرآیندهای بیولوژیکی هم از اهمیت بسیاری برخوردار هستند. آنزیم‌ها مانند یک کاتالیزگر در کلیه اعمال زیستی نقش بسیار اساسی و ماهرانه‌ای را ایفا می‌کنند که کاتالیزگرها را می‌توانیم به یک کلید تشبیه کنیم که می‌تواند انواع قفل‌ها را با مکانیسم‌های مختلف باز کند یعنی نقشی که آنزیم‌ها در اعمال زیستی و حیاتی ایفا می‌کنند بسیار مؤثرتر از کاتالیزگرهایی است که ساخته‌ی دست بشر است در این مقاله سعی شده است که از تعریف کاتالزگر، خواص چند مکانیسم کاتالیزگرها مورد بحث و بررسی قرار گیرد و برخی از کاربردهای آن در صنعت بیان شده است نقش و اهمیت کاتالیزگرها در پالایش‌های نفت و بسیاری از سنتزها در سایه‌ی بهره‌گیری از کاتالیزگرهای خاصی با مکانیسم‌های معین انجام می‌گیرد و برخی از کاتالیزگرها نه تنها تشکیل یا شکستن پیوندها را آسان می‌کنند بلکه محصولات واکنش را هم در قالب هندسی خاصی تولید می‌کنند امیدواریم مورد توجه قرار گیرد.
مقدمه
تا اغاز قرن نوزدهم ماهیت کاتالیزگرها ناشناخته بود، سرانجام در سال 1835 میلادی، ژان یاکوب برسلیوس شیمیدان سوئدی در بررسی واکنشهای شیمیایی در طول سی سال پژوهش و بررسی یکی از خصوصیات مهم واکنشها را سرعت انجام آنها دانست زیرا واکنشهایی که در آزمایشگاه انجام میشود باید از سرعت کافی برخوردار باشد تا بتوان واکنشی را دنبال کرده و با مشاهده آزمایش به نتایجی دست یافت مانند هر گاه شعلة کبریت افروخته‌ای را به توده‌ای از قند تماس دهید قند گداخته میشود ولی نمی‌سوزد، برای سوزاندن قند میتوانید مقداری خاکستر سیگار یا کمی از خاک گلدان روی آن بریزید در این صورت قند با شعله‌ی آبی خیره‌کننده‌ای همراه با صدای فش‌فش خواهد سوخت در این عمل خاکستر سیگار یا خاک گلدان کاتالیزگر است، یعنی سوختن قند در مجاورت خاکستر یا خاک انجام می‌گیرد، لیکن خاکستر یا خاک در پایان واکنش بدون تغییر شیمیایی به جا می‌ماند.
کشف کاتالیزگرهای جدید تأثیر فراوانی در صنعت داشته است و واکنشهای شیمیایی در صنعت باید نسبتاً سریع انجام شوند زیرا یک کارخانه‌دار نمی‌تواند سالها در انتظار بدست آمدن محصولی بماند که امروز بازار فروش خوبی دارد.
دانش روز افزون درباره‌ی آنزیم‌ها یعنی کاتالیزگرهای زیستی درک ما را درباره‌ی فرآیندهای زیستی دگرگون کرده است، به همین دلیل مطالعه و نحوه‌ی کاربرد آنها در بین مواد شیمیایی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
آنزیم‌ها در تنظیم سرغت واکنشهای شیمیایی که در بدن موجودات زنده انجام می‌شوند، نقش بسیار اساسی دارند. آنزیم‌ها خود ترکیبهای پیچیده‌ای هستند که از مولکولهای بسیار سنگین پروتئینی ساخته شده‌اند. تنظیم و اداره هر یک از واکنشهای زیستی به عهده‌ی آنزیم ویژه‌ای است. امروزه تخمین زده‌اند که چندین هزار آنزیم مختلف در اداره‌ی اعمال زیستی بدن انسان شرکت دارند. بسیاری از فرآیندهای زیستی، مانند گوارش در جانوران و فتوسنتز در گیاهان ضروری هستند. آنزیم‌ها نقش مهمی در لخته شدن خون و انقباض بافتهای ماهیچه‌ای دارند، کاتالیزگرها حتی سبب تغییر رنگ برگ‌ها در پائیز و تبدیل گلولز به اتیل الکل (اتانول) مطابق با واکنش زیر می‌شوند:
نخستین بار لویی پاستور در دهة سال 1850 با پژوهشهای خود درباره‌ی تخمیر، کاتالیزگرهای زیستی را مورد مطالعه قرار داد، پاستور نشان داد که ارگانیسم ذره‌بینی مخمر سبب تبدیل گلولز به اتانول و کربن دی‌اکسید میشود که بعدها دانشمند آلمانی ادوارد بوخنر در سال 1897 نشان داد که این تخمیر توسط ماده‌ی موجود در عصارة مخمر حاصل میشود و این ماده را آنزیم نامیدند.
بعدها مواد دیگری کشف شدند که می‌توانستند به عنوان کاتالیزگر در فرآیندهای زیستی شرکت کنند سی سال پس از کشف بوخنر نخستین آنزیم به حالت بلوری خالص بدست آمد.
هر آنزیم معمولاً می‌تواند تنها در یک واکنش خاص به عنوان کاتالیزگر شرکت کند، بنابراین سلولهای زنده صدها انزیم مختلف را تولید می‌کنند تا این آنزیم‌ها در صدها واکنش شیمیایی مختلف، که ضرورت زنده ماندن سلولها هستند، به عنوان کاتالزگر شرکت کنند.
آنزیم‌ها کاتالیزگرهایی با کارآیی شگفت‌آوری هستند مقیاسی از این کارایی، عدد تبدیل است. عدد تبدیل تعداد مولکولهایی از ماده اولیه است که یک مولکول آنزیم در هر واحد زمانی به فرآورده‌های تبدیل می‌کند. عدد تبدیل آنزیم مالتوز ، که در تمام ارگانیسم‌های حیوانی یافت میشود در واکنش ئیدرولیز قند مالتوز است که در این واکنش گلولز تشکیل میشود.
سرعت انجام همه‌ی واکنشهای شیمیایی یکسان نمی‌باشد مثلاً بعضی از واکنشها سریع هستند مانند اگر مقدار کمی از سدیم را در آب بیاندازیم به سرعت با اکسیژن آب واکنش داده و محلول قلیا تولید می‌کند. برخی از واکنشها از سرعت بسیار کمی برخوردار هستند مانند مس در شرایط عادی به آرامی با اکسیژن هوا ترکیب میشود، از این رو ذخایری از این عنصر در سطح زمین یافت میشود، واکنشهای دیگری نیز هستند که سرعت متوسطی دارند مانند واکنش آهن با اکسیژن هوا که در شرایط عادی مدت زمان متوسطی طول می‌کشد تا آهن زنگ بزند البته واکنشهای فوق را میتوان تحت شرایط سریع یا از سرعت آن کاست بنابراین عواملی مانند دما، غلظت، کاتالیزگر واکنش‌دهنده‌ها سطح تماس، ماهیت مواد اولیه کاتالیزگر به میزان قابل توجهی روی سرعت واکنش مؤثر خواهد بود.
برای مثال برسلیوس شرح داد که چگونه اسیدها، تبدیل نشاسته به قند را سرعت می‌دهند و چگونه در مجاورت فلز پلاتین، واکنشها بین گازها با سرعت بیشتر صورت می‌گیرد.
در سال 1902 ویلهلم استوالد شیمیدان آلمانی کاتالیزگر را ماده‌ای تعریف کرد که سرعت واکنشهای شیمیایی را تغییر می‌دهد و در پایان واکنش بدون تغییر، باقی می‌ماند و همچنین توانست خصوصیات ویژه‌ای کاتالیزگرها را بیان نماید.
برخی از خصوصیات ویژه‌ی کاتالیزگرها
کاتالیزگرها در فعالیت خود ویژگی‌های کاملاً خاصی دارند در بعضی از موارد یک کاتالیزگر معین موجب سنتز نوعی محصولات خاص از بعضی مواد میشود حال آنکه کاتالیزگر دیگر موجب سنتز محصولات کاملاً متفاوت دیگری از همان مواد میشود و امکان وقوع هر دو واکنش از لحاظ ترمودینامیکی میسر است مانند مونوکسیدکربن و هیدروژن می‌توانند با توجه به کاتالیزگر به کار رفته و شرایط واکنش فرآورده‌های بسیار گوناگونی را تولید کنند. اگر یک کاتالیزگر کبالت یا نیکل در واکنش مونوکسیدکربن با ئیدروژن به کار رود، مخلوطی از ئیدروکربنها به دست می‌آید ولی اگر در همین واکنش مخلوطی از اکسیدهای روی و کروم به عنوان کاتالیزگر مصرف شود از 2Co و 2 H متانول تولید میشود یعنی:
ساده‌ترین و ارزان‌ترین راه برای سرعت بخشیدن به یک واکنش یافتن کاتالیزگر مناسبی است که اکثراً به صورت جامدات ریزی می‌باشند البته انتخاب کاتالیزگر برای هر واکنش بیشتر یک هنر است تا علم، برای انتخاب کاتالیزگر، مواد مختلفی آزمایش میشود و مؤثرترین آنها انتخاب میشود.
اثر کاتالیزگرها در واکنشهای تعادلی
بنا به قوانین ترمودینامیک، یک سیستم در حال تعادل با اضافه کردن کاتالیزگر تغییر نمی‌کند. کاتالیزگر بر سرعت رسیدن سیستم به حالت نهایی تعادل می‌افزاید ولی نمی‌تواند مقدار ثابت تعادل را تغییر دهد زیرا در شرایط تعادل یک کاتالیزگر همان اثر را در افزودن سرعت واکنش معکوس (برگشتی) دارد که در واکنش مستقیم (رفت) نیز اعمال می‌کند.
نقش کاتالیزگری
فلزات واسطه به علت قدرت جذب سطحی زیاد، تمایل به تشکیل ترکیبهای درون شبکه‌ای و یا کمپلسکهای فعال و سهولت شرکت در واکنشهای اکسایش- کاهش می‌توانند بسیاری از مواد را به صورت ترکیبهای حد واسطه مناسبی که به آسانی به صورت مواد مورد نظر در می‌آیند، تبدیل کنند از این رو نقش کاتالیزگر را در بسیاری از واکنشها می‌توانند ایفا کنند، به ویژه به صورت ترکیبهای آلی- فلزی مانند نقش کاتالیزگری نیکل در واکنشهای هیدروژن‌دار کردن و یا نقش کبالت در تبدیل آلکن‌ها با آلدئیدها در مجاورت Co و 2H
2- کاتالیزگر و انرژی فعالسازی
کاتالیزگر نمی‌تواند موجب وقوع واکنشهایی شود که از نظر ترمودینامیک امکان وقوع ندارند بعلاوه صرفاً حضور یک کاتالیزگر نیست که (احتمالاً به عنوان یک بخش فعال کننده) موجب اثر و سرعت واکنش میشود. در یک واکنش کاتالیز شده، کاتالیزگر در مراحلی از انجام واکنش عملاً دخالت می‌کند و در مراحل بعدی بار دیگر به همان حالت اولیه برمی‌گردد و این عمل بارها تکرار میشود بدون آنکه کاتالیزگر دچار تغییر دائمی شود.
کار کاتالیزگر آن است که راه تازه‌ای برای پیشرفت واکنش می‌گشاید بدین‌ترتیب مکانیسم واکنش کاتالیزی با واکنش بدون کاتالیزگر تفاوت دارد و انرژی فعالسازی مسیری که واکنش به کمک کاتالیزگر طی می‌کند کمتر از انرژی فعالسازی راهی است که همان واکنش بدون کاتالیزگر می‌پیماید و این واقعیتی است که علت سریعتر شدن واکنش را توجیه می‌کند.
پیدا کردن کاتالیزگر برای یک واکنش کمی شبیه پیدا کردن راهی از میان یک رشته کوه است و هدف این است که گذشتن از کوه را از هر دو طرف آسانتر کند. محل نسبی درّه‌ها در اطراف کوه بدون تغییر می‌ماند و در اینجا نیز مانند گذرگاههای کوهستانی اغلب پیدا کردن کاتالیزگر مناسب آسان نیست.
بنابراین واکنش در مجاورت کاتالیزگر از مسیری که سربالایی انرژی در آن کوتاهتر است انجام می‌گیرد، بنابراین کار اصلی کاتالیزگر کاهش انرژی فعالسازی کلی واکنش است. همچنین زمانی که کاتالیزگر مورد استفاده قرار می‌گیرد مولکولهای نسبتاً بیشتری انرژی لازم برای یک برخورد مؤثر را پیدا می‌کنند و بدین‌ترتیب عده کل برخوردهای مؤثر در واحد زمان که موجب انجام واکنش می‌شوند، افزایش می‌یابند. با ملاحظه شکل زیر به دو نقطه دیگر نیز میتوان پی برد نخست آنکه واکنش کاتالیزی با واکنش بدون کاتالیزگر یکسان است و دیگر آنکه انرژی فعالسازی واکنش معکوس یعنی ، نیز به هنگام استفاده از کاتالیزگر کاهش می‌یابد و مقدار کاهش آن درست برابر با کم شدن انرژی فعالسازی واکنش کاتالیزی اصلی، ، است این بدان معنی است که کاتالیزگر بر یک واکنش و واکنش کردن شناخته شده است (شکل صفحه 4) ذیلاً چند نمونه از مکانیزم واکنشهای متداول ارائه میشود.
الف) کاتالیزگر همگن
I) برای مثال تجزیه پراکسید هیدروژن را در نظر می‌گیریم.
واکنش مستقیم بسیار آهسته روی می‌دهد، محلول آبی که از داروخانه خریداری میشود به مدت چند ماه پایدار است ولی اگر به محلول، یون یدید اضافه شود واکنش بلافاصله روی می‌دهد و حبابهای گاز اکسیژن را که در محلول تشکیل میشود میتوان مشاهده نمود. واکنش در حضور یونهای یدید یک مسیر دو مرحله‌ای را طی می‌کند.
باید به این نکته توجه نمود که نتیجه نهایی مانند نتیجة نهایی واکنش مستقیم است، یون یدید یک کاتالیزگر حقیقی است و در واکنش مصرف نمی‌شود. بازاء هر یون یدید مصرف شده در مرحله اول یک یون یدید در مرحله دوم تولید میشود.
انرژی فعالسازی این مسیر دو مرحله‌ای خیلی کوچکتر از انرژی فعالسازی واکنش کاتالیزگر نشده است.
II) نمونة دیگر از کاتالیزگر همگن تجزیه اوزون در حضور است.
دی نیتروژن پنتا اکسید به آسانی تجزیه شده به اکسیژن و اکسیدهای درجه پائین‌تر تبدیل میگردد مثلاً اوزون به سرعت اثر می‌کند در این عمل اکسیژن تولید میشود و کاتالیزگر بار دیگر بوجود می‌آید.
البته باید تاکید شود که این مکانیسمها صرفاً فرضیه‌هایی قابل قبولند و بدون شک مکانیسم واقعی ممکن است شامل مراحلی دیگر مانند مراحل زیر باشند:
III)
برای بررسی بیشتر دربارة نقش یون آهن (II)، در تجزیه محلول پراکسید هیدروژن باید به واکنشهای احتمالی میان این یون و بیشتر توجه کنیم. می‌تواند یون آهن (II) را اکسید کند و این واکنش از لحاظ تغییر انرژی آزاد گیبس کاملاً انجام‌پذیر است.
علاوه بر آن با یونهای آهن (III) نیز واکنش می‌دهد و در این واکنش نقش کاهندگی دارد.
حال اگر دو واکنش بالا را جمع کنیم همان واکنش تجزیه بدست می‌آوریم.
IV)
گاز NO به صورت زیر در سرعت بخشیدن به واکنش شرکت می‌کند.
در شرایط یکسان هر یک از واکنشهای فوق بسیار سریعتر از واکنش میان انجام می‌گیرد. یقیناً سربالایی انرژی در دو واکنش بالا از سربالایی انرژی در واکنش بسیار کوتاهتر است.
V) گاز در دمای اتاق گاز نسبتاً بی‌انرژی است اما در دمای طبق معادلة زیر تجزیه میشود.
این واکنش با مقدار ناچیزی از گاز کلر کاتالیز میشود. مکانیزم پیشنهاد شده به صورت زیر است:
در دمای آزمایش و به ویژه در مقابل نور برخی از مولکولهای کلر به اتمهای کلر تفکیک میشود.
اتمهای کلر به آسانی با گاز ترکیب می‌شوند.
به سرعت تجزیه می‌شوند.
ب) کاتالیزگر ناهمگن
کاتالیزگر ناهمگن عموماً از طریق جذب سطحی شیمیایی
مواد واکنش دهنده در سطح کاتالیزگر صورت می‌گیرد. جذب سطحی فرایندی است که در جریان آن مولکولها به سطح جسمی جامد می‌چسبند. مثلاً در ماسک‌های گازی، زغال به عنوان یک ماده جاذب برای گازهای زیان‌آور به کار می‌رود در جذب سطحی فیزیکی معمولی مولکولها به وسیله نیروهای واندروالسی به سطح ماده جذب می‌شوند، بنابراین مولکولهایی از گاز که جذب سطحی شده‌اند، تا همان حد تحت تأثیر قرار گرفته‌اند که گویی مایع شده باشند.
در جذب سطحی شیمیایی مولکولهای جذب شده با پیوندهایی که قابل مقایسه با پیوندهای شیمیایی است به سطح ماده کاتالیزگر نگه داشته می‌شوند. در فرایند تشکیل پیوند با ماده جاذب مولکولهایی که به طور شیمیایی جذب شده‌اند دچار تغییر آرایشی الکترونی درونی می‌شوند. پیوندهای درون بعضی از مولکولها کشیده، ضعیف و حتی پیوند بعضی از آنها شکسته میشود و این عمل انرژی فعالسازی واکنش را پائین می‌آورد.
البته تاکنون مکانیسم جذب سطحی شیمیایی در کاتالیزگر سطح کاملاً فهمیده نشده است، فقط فرضهای قابل قبولی برای مکانیسم چند واکنش خاص مطرح میشود.
I) مکانیسم پیشنهاد شده برای تجزیه با استفاده از کاتالیزگر طلا به این صورت میباشد که مولکولهای بر سطح طلا به طور شیمیایی جذب می‌شوند و واکنشهای زیر روی این سطح صورت می‌گیرد.
شکل 10
شکل: روشی که برای تجزیه بر پیشنهاد شده است.
II)
در اینجا به نظر می‌رسد که پیوند را ضعیف می‌کند و باعث تشکیل اتمهای آزاد اکسیژن می‌شوند. این اتمها از مولکولهای فعالتر هستند. یک مولکول با یک اتم در سطح کاتالیزگر برخورد می‌کند، سریعاً به تبدیل میشود. مسیر واکنش کاتالیز شده به صورت زیر است:
کاتالیزگر پلاتین در مبدل کاتالیزگری یک اتومبیل احتمالاً به همین صورت عمل می‌کند. در این مورد منوکسید کربن سوخته نشده، به دی‌اکسید کربن تبدیل میشود.
و در عین حال هیدروکربنهای سوخته نشده نیز به تبدیل می‌شوند.
III)
مخلوط هیدروژن و اکسیژن در شرایط عادی واکنشی از خود نشان نمی‌دهد. این مخلوط به کمک یک شعله یا جرقه یا در دماهای خیلی بالا به سرعت منفجر میشود.
وقتی مخلوط هیدروژن و اکسیژن از روی گرد پلاتین عبور داده میشود، مشتعل شده و با سرعت قابل توجهی می‌سوزد. برای بیان نقش کاتالیزگری پلاتین در واکنش میتوان چنین گفت که مولکولهای گاز اکسیژن در برخورد خود با سطوح ذره‌های پلاتین، جذب آنها شده و در پی آن به اتمهای اکسیژن تجزیه می‌شوند. اتمهای اکسیژن حاصل بر روی مکانهای جذب واقع بر سطوح ذره‌های پلاتین باقی می‌مانند. مولکولهای هیدروژن در برخورد خود با این اتمها با آنها واکنش می‌دهند و مولکولهای را پدید می‌آورند. مولکولهای حاصل چون تمایل زیادی برای باقی ماندن بر سطوح ذرات پلاتین ندارند، از آن جدا می‌شوند.
در شکل زیر مکانیسم ساده‌ای در مورد نقش کاتالیزگر پلاتین در واکنش نشان داده شده است.ژ
مسمومیت کاتالیزگرها
در چنین واکنشهایی بهره‌گیری از کاتالیزگرهایی که به آسانی مسموم نمی‌شوند، اهمیت دارد. سمهای کاتالیزگری (Catalyst Poisons) مواد هستند که فعالیت کاتالیزگر را متوقف می‌کنند، یعنی موادی هستند که به شدت روی اتمهای سطحی کاتالیزگر جذب می‌شوند و بنا بر این فعالیت کاتالیزگری آن را متوقف می‌کنند. برای مثال، پلاتین کاتالیزگر در ترکیب دی‌اکسید گوگرد با اکسیژن است. این مطلب در سال 1831 به وسیلة پرگرین فیلیپس کشف شد. وی فرزند یکی از تولید کننده‌های سرکه از اهالی بریستول بود. لیکن این روش بالقوه مهم برای تولید تری‌اکسید گوگرد و به دنبال آن اسید سولفوریک، تا حدود پنجاه سال در مقیاس صنعتی به کار برده نشد. زیرا اثر کاتالیزگر به زودی ناپدید می‌شد. سرانجام شیمیدان دیگری به نام و.س. اسکویر نشان داد که ناخالصیها چون اکسید ارسنو (تری‌اکسید ارسنیک)، که اغلب همراه با دی‌اکسید گوگرد است، عامل از بین رفتن اثر کاتالیزگر (پلاتین) هستند.
برخی از کاربردهای صنعتی کاتالیزگرها
کاتالیزگرها در صنعت اهمیت فراوانی دارند و همواره کاتالیزگرهای بهتر و جدیدتری کشف می‌شوند. دلیل این امر روشن است. هر چه کاتالیزگر کارآیی بیشتری داشته باشد، دمای لازم برای پیشرفت واکنش را پائین‌تر خواهد آورد و در نتیجه سوخت کمتری مصرف خواهد شد.
واکنشهای کاتالیزگری که در صنعت انجام می‌گیرند تقریباً همیشه از نوع کاتالیزگری ناهمگن (کاتالیزگری سطحی) هستند زیرا در این حالت جدا کردن فرآورده‌ها از کاتالیزگر آسانتر است. برای مثال اگر کاتالیزگر جامدی را برای واکنش بین گازها به کار بریم، میتوان کاتالیزگر جامد را در محیط واکنش گذاشت و گازها را از روی آن عبور داد. در پایان عمل کاتالیزگر بدون تغییر شیمیایی در محیط واکنش باقی می‌ماند.
آب به عنوان کاتالیزگر
به احتمال زیاد حتی ساده‌ترین واکنشهای شیمیایی نیز بدون مجاورت کاتالیزگر انجام نمی‌گیرد، هر چند که ما اغلب از وجود کاتالیزگر غافل هستیم، به عنوان نمونه، آب در بسیاری از واکنشهای شیمیایی نقش کاتالیزگر را دارد. بسیاری از واکنشها که در شرایط عادی با تندی پیش می‌روند، در صورت نبودن اثری از آب در محیط واکنش اصلاً انجام نخواهند گرفت (برای خشک کردن میتوان از مواد جاذب رطوبت مانند پنتاکسید فسفر استفاده کرد).
معمولاً آب به صورت بخار یا به صورت حلاّل مواد، نقش کاتالیزگر خود را ایفا می‌کند. ئیدروژن، کربن، گوگرد و مونوکسید کربن خشک را نمی‌توان در اکسیژن خشک سوزاند. سدیم را میتوان بدون اینکه واکنشی در کُلُر خشک ایجاد کند، ذوب کرد. کلرید ئیدروژن خشک و آمونیاک خشک را میتوان با یکدیگر تماس داد بدون اینکه تماس آنها سبب تولید کلرید آمونیم شود. نیز کلرید آمونیم کاملاً خشک با گرما دادن تجزیه نمی‌شود. اینها نمونه‌هایی از واکنشهای شیمیایی هستند که آب نقش کاتالیزگر را در آنها ایفا می‌کند.
نفت خام و کاتالیزگرها
کاتالیزگرها اهمیت زیادی در صنعت نفت دارند. این صنعت یکی از مهمترین صنایع دنیای جدید به شمار می‌رود. نفت خام به هنگام استخراج از زمین، مخلوطی از ئیدروکربنهاست (ئیدروکربنها ترکیباتی از ئیدروژن و کربن هستند.) در پالایشگاه نفت، این مخلوط به کمک تقطیر به فراورده‌های گوناگونی مانند گازهای نفت، بنزین، نفت سفید، نفت سیاه و غیره تفکیک میشود. معمولاً در یکی از این فراورده‌ها مانند نفت سیاه، مازاد و در فراورده‌ای دیگر مانند بنزین، کمبود وجود دارد. یکی از اساسی‌ترین هدفهای پالایش نفت خام تبدیل فراورده‌های مازاد به فراورده‌های مورد نیاز است. در این مورد کاتالیزگرها ما را یاری می‌کنند.
شکستن کاتالیزگری فراورده‌های سنگین نفت خام
فراورده‌هایی چون نفت سیاه را میتوان به آسانی به کمک گرما به بنزین تبدیل کرد. این فرایند را شکستن (Cracking) می‌نامند و معمولاً تحت فشار زیاد ودر دمای حدود انجام می‌گیرد (شکستن، تجزیة مواد در اثر گرما در پناه هواست، برای مثال، گرما دادن ئیدروکربنهای سنگین نفت در پناه هوا و تبدیل آنها به گاز و بنزین نمونه‌ای از شکستن است. در فرایند شکستن، مولکولهای سنگین به مولکولهای سبک شکسته می‌شوند). لیکن در صورت بهره‌گیری از یک کاتالیزگر، فرایند یاد شده می‌تواند بسیار آسانتر و با کنترلی دقیق‌تر انجام گیرد.
بازسازی کاتالیزگری
فرایند دیگر تبدیل در یک پالایشگاه نفت نه در رابطه با شکستن مولکولها بلکه در رابطه با آرایش مجدد ساختمان مولکولی آنها است. این فرایند بستگی به یک کاتالیزگر دارد و به بازسازی کاتالیزگری (Catalytic Reforming) معروف است. توسط این فرایند بنزین با اکتان پایین می‌تواند به بنزین با اکتان خیلی بالاتر تبدیل شود. گاهی پلاتین و گاهی نیکل‌آلومین به عنوان کاتالیزگر در این فرایند بازسازی به کار می‌رود.
ساخت کاتالیست جهت هیدروژناسیون انتخابی فنل به سیکلو هگزانون در فاز گازی
سیکلوهگزانون یک واسطه شیمیائی بسیار مهم در صنعت میباشد که جهت تولید کاپرولاکتام برای نایلون 6 و آدیپیک اسید برای نایلون 66 کاربرد دارد. سیکلوهگزانون به صورت تجاری از دهیدروژناسیون سیکلوهگزانول تهیه میشود که برای اینکار از کاتالیستهای مختلف مس استفاده میشود خود سیکلوهگزانول نیز به طریق اکسیداسیون سیکلوهگزانول نیز به طریق اکسیداسیون سیکلوهگزان یا هیدروژناسیون فنل تهیه میشود. به هر حال هیدروژناسیون تک مرحله‌ای فنل در فاز بخار به سیکلوهگزانون بسیار سودمندتر است چون باعث حذف مرحله گرماگیر دهیدروژناسیون سیکلوهگزانول میگردد. امروزه کاتالیستهای دو فلزی و آلیاژی جایگزین کاتالیستهای تک فلزی شده‌اند زیرا باعث بهبود گزینش پذیری و افزایش فعالیت و همچنین طول عمر کاتالیست میشود. کاتالیستهای آلیاژی پلاتین- کروم بر پایه کربن جهت هیدروژناسیون به سیکلوهگزانون با گزینش‌پذیری کامل مناسب تشخیص داده شده است. همچنین با استفاده از غشاهائی بر پایه پالادیم این کار گزارش شده است.
با توجه به کارهای انجام گرفته در مقالات کار را با ساخت کاتالیست آغاز کردیم که پس از بهینه‌سازی شرایط از جمله دما و نسبت مولی هیدروژن به فنل و همچنین نوع حلال درصد تبدیلی حدود 80% و گزینش‌پذیری نسبت به سیکلوهگزانون حدود 50% بدست آمد و مابقی محصول عمدتاً شامل سیکلوهگزانول بود. جهت ساخت کاتالیستهای آلیاژی پلاتین با عناصر دیگر نیز تلاشهای زیادی انجام شد که مناسبترین جواب با نشاندن پلاتین به میزان 1% بر روی بدست آمد. سرانجام با نشاندن پالادیم بر روی آلومینا که قبلاً با کربنات سدیم قلیائی شده بود بهترین جواب بدست آمد که با درصد تبدیلی حدود 50% و گزینش‌پذیری نسبت به سیکلوهگزانون حدود 96% همراه بود.
ساخت و ارزیابی کاتالیستهای سه جانبه پالادیوم به منظور کنترل آلودگی ناشی از گازهای خروجی از اگزوز اتومبیل‌ها
با افزایش روز افزون اتومبیل‌ها و کامیونها، مسئله آلودگی هوای ناشی از آنها نیز رشد افزاینده‌ای داشته است. امروزه از کاتالیستهای سه جانبه (TWC) به منظور حذف گازهای آلاینده ناشی از موتورهای احتراق داخلی، استفاده میشود. این کاتالیست‌ها عمدتاً شامل پلاتین، رودیوم و پالادیوم می‌باشند. از میان این فلزات نجیب، رودیوم بجهت فعالیت بالای آن برای احیا اکسیدنیتروژن (NO) مورد استفاده قرار می‌گیرد. پلاتین و پالادیوم نیز جهت تکمیل فعالیت اکسیداسیون رودیوم به کار گرفته میشود. بدلیل کمبود منابع و همچنین قیمت بالای رودیوم، پیدا کردن روشهایی برای کاهش استفاده آن و همچنین جایگزین کردن آن در کاتالیستهای فوق با یک فلز مناسب، ضروری به نظر می‌رسد. در حال حاضر، پالادیوم بعنوان جزء اصلی کاتالیست در نظر گرفته شده است و با استفاده از روشهای آماری تاثیر متغیرهای مختلف مانند باریم، لانتانیوم، سریم، پالادیوم و دمای کسیناسیون بر روی فعالیت کاتالیستی مورد مطالعه قرار گرفته است.
کارهای پژوهشی که در پژوهشگاه صنعت نفت انجام گرفته است
از گاما- آلومینا با مساحت سطح بعنوان پایه استفاده شده است. به منظور اصلاح پایه از روش تلقیح همزمان توسط محلول نیترات باریم، لانتانیوم و سریم استفاده شده است. همچنین جهت نشان پالادیوم از محلول کلریدپالادیوم و روش تلقیح استفاده شده است. کاتالیست‌ها در دمای خشک شده و در دمای یا به مدت 6 ساعت کلسینه شده‌اند. از روش ICP برای اندازه‌گیری عناصر استفاده شده است. بر اساس یک روش طراحی آزمایش (Experimental Design)، هشت نوع کاتالیست با ترکیبهای مختلف تهیه گردید. مساحت سطح و توزیع منافذ کاتالیست‌ها به روش BET اندازه‌گیری شده است.
کلیه تست‌های راکتوری در فشار اتمسفری و در یک راکتور جریانی انجام گرفته است. دمای کاتالیست بوسیله یک ترموکوپل که در بستر کاتالیست قرار دارد، کنترل میگردد. مخلوط گازی مشابه‌سازی شده شامل اکسیژن، نیتریک اکسید، کربن مونواکسید، ئیدروژن، پروپیلن، بخارآب و نیتروژن مورد استفاده قرار گرفته است. جهت آنالیز گازها در ورودی و خروجی راکتور از FTIR و گاز کروماتوگراف استفاده شده است. در کلیه آزمایشات سرعت فضایی (Space Velocity) 48000 بر ساعت میباشد. فعالیت کاتالیست به عنوان تابعی از دمای بستر کاتالیست‌ها اندازه‌گیری شده است. دمای بستر از تا تغییر می‌کند. برای کلیه کاتالیست‌ها، T50 (که عبارت است از دمایی که در آن دما میزان تبدیل برای کربن مونوکسید، پروپیلن و نیتریک اکسید به 50% می‌رسد) اندازه‌گیری شده است.
همچنین فعالیت کاتالیست‌ها برای سیستم گازی NO-CO-O2 بعنوان تابعی از عدد استوکیومتری (S) مورد مطالعه قرار گرفته است.
نتایج:
1) پردازش داده‌ها براساس روشهای آماری، نشان داد که مقادیر کم سریم، لانتانیوم و دمای کلسیناسیون و همچنین مقادیر بالای پالادیوم و باریم در ساخت کاتالیست‌ها موثر است.
2) نتایج نشان داد که وجود لانتانیوم، احیا NO را در دمای زیر کاتالیز می‌کند.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 28 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله کاتالیزگرها و مکانیسم عملکرد و کاربرد آنها در صنایع
