Гетерогенный катализ

При гетерогенном катализе реакция протекает на поверхности раздела фаз, обычно на поверхности твердого катализатора, при этом компоненты реакционной массы могут находиться как в газовой так и жидкой фазах.

С помощью гетерогенного катализа в промышленности основного органического и нефтехимического синтеза осуществляются процессы гидрирования и дегидрирования, многие реакции окисления, гидратации и дегидратации, алкилирования и т.д. Преимущества гетерогенного катализа перед гомогенным состоят в малом расходе катализатора на единицу количества продукта, в снижении или полном устранении токсичных сточных вод и расхода реагентов на промывку реакционной массы. Последнее обусловлено тем, что гетерогенный катализатор, находясь в твердом состоянии, легко отделяется от реакционной массы или вообще не уносится ею.

Независимо от типа катализаторов первичным актом химического превращения, протекающего на их поверхности, является адсорбция реагентов. Последнюю подразделяют на физическую адсорбцию, определяемую дисперсионными силами, и хемосорбцию, зависящую от химического связывания адсорбата с активными центрами поверхности катализатора.

Гетерогенно-каталитическая реакция заключается в превращении реагентов на активных центрах поверхности. В зависимости от природы активных центров и вида их взаимодействия с субстратом в свое время была распространена классификация гетерогенно-каталитических реакций на два крайних типа: гомолитические и гетеролитические. В первом случае происходит разрыв электронной пары субстрата с образованием поверхностных радикалоподобных соединений и осуществляется так называемый электронный катализ; во втором имеет место связывание за счет пары электронов и осуществляется ионный катализ. В последнем случае при взаимодействии реагента с активным центром может образоваться в зависимости от уровня Ферми слабая (Š - - - - А), сильная донорная (Š^–—А⁺) или акцепторная (Š⁺—А^–) связь. В результате двух последних из нейтральной молекулы А образуются катион- или анион-радикалы, активные как промежуточные частицы при гомолитических реакциях.

Как правило, гетерогенно-каталитический процесс протекает через ряд последовательных стадий, существенно различающихся по механизму. Можно назвать следующие стадии протекания реакции на поверхности катализатора.

1. Диффузия реагентов из потока к внешней поверхности зерна катализатора.

2. Диффузия реагентов к внутренней поверхности зерна катализатора (к порам).

3. Адсорбция реагентов на поверхности.

4. Собственно химическая реакция.

5. Десорбция продуктов реакции с поверхности катализатора.

6. Диффузия продуктов с внутренней поверхности зерна катализатора.

7. Диффузия продуктов с внешней поверхности зерна в поток.

Любая из этих стадий может оказаться самой медленной (лимитирующей) и, следовательно, определяющей скорость процесса в целом. Кинетические закономерности, таким образом, могут контролироваться как законами диффузии или адсорбции, так и законами химической кинетики, а в промежуточных случаях – их совокупностью. Это определяет некоторую специфику кинетики гетерогенного катализа по сравнению с кинетикой гомогенного катализа.

Принято различать кинетически и диффузионно контролируемые (или просто кинетические и диффузионные) области протекания гетерогенно-каталитических процессов. В первых из них общую скорость процесса определяет собственно химическая реакция на поверхности, во вторых – диффузия реагентов. Кроме того, существуют области, контролируемые сорбцией реагентов или десорбцией продуктов.

Дата добавления: 2014-12-10