工業(yè)催化
關(guān)注創(chuàng)建者：寒寒boy 創(chuàng)建時(shí)間：2017-12-22
工業(yè)催化的實(shí)例教程
前言：
催化在人類文明進(jìn)步與世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著非常重要的角色。它能夠以一種高效，綠色和經(jīng)濟(jì)的方式將原材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈吒郊又档幕ぎa(chǎn)品和燃料等，因而被廣泛應(yīng)用于能源，化工，食品，醫(yī)藥，電子等各個(gè)領(lǐng)域。目前，全世界90%以上的化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程都離不開(kāi)催化。毫不夸張地說(shuō)，催化領(lǐng)域的每一次重大突破，都極大地改變了人類的生產(chǎn)與生活方式。今天簡(jiǎn)單地盤(pán)點(diǎn)一些工業(yè)催化領(lǐng)域中重要的催化反應(yīng)和催化劑。
備注：本文主要參考Jens Hagen教授編寫(xiě)的《Industrial Catalysis》一書(shū)
1. 硫酸工業(yè)
1740年英國(guó)醫(yī)生J.沃德在倫敦附近建立了一座燃燒硫磺和硝石制硫酸的工廠；
1746年英國(guó)J.羅巴克建立了鉛室反應(yīng)器，生產(chǎn)過(guò)程中由硝石產(chǎn)生的氧化氮實(shí)際上是一種氣態(tài)的催化劑，這是利用催化技術(shù)從事工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的開(kāi)端。
標(biāo)志性事件1：1806年，法國(guó)科學(xué)家C. B. Dersomers和N. Clement闡明了在氧化氮作用下，SO2轉(zhuǎn)化成SO3的機(jī)理
標(biāo)志性事件2：1875年德國(guó)人E.雅各布建立了第一座生產(chǎn)發(fā)煙硫酸的接觸法裝置，并制造所需的鉑催化劑，這是固體工業(yè)催化劑的先驅(qū)。
標(biāo)志性事件3：1888年德國(guó)BASF公司的化學(xué)家Rudolf Knietsch開(kāi)發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)高效的替代工藝，采用目前廣泛使用的V2O5為催化劑，這種硫酸接觸工藝不但使巴斯夫一躍成為當(dāng)時(shí)全球最大的硫酸生產(chǎn)商，也為催化加工鋪平了道路。
備注：硫酸廣泛用于各個(gè)工業(yè)部門(mén)，主要有化肥工業(yè)、冶金工業(yè)、石油工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、洗滌劑、軍事工業(yè)、原子能工業(yè)和航天工業(yè)等，還用于生產(chǎn)染料、農(nóng)藥、化學(xué)纖維、塑料、涂料，以及各種基本有機(jī)和無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品。世界大戰(zhàn)期間，硫酸工業(yè)的發(fā)展與軍事工業(yè)緊密聯(lián)系在一起，硫酸工業(yè)是一個(gè)國(guó)家軍事力量的風(fēng)向標(biāo)。
2.
展開(kāi) 尤其，制備得到的單原子Co具有高的催化穩(wěn)定性，經(jīng)十次循環(huán)后性能無(wú)明顯降低，催化結(jié)構(gòu)也無(wú)明顯變化。動(dòng)力學(xué)分析、DFT計(jì)算以及自由基捕獲實(shí)驗(yàn)表明，單原子Co上環(huán)己烷氧化的活化能顯著降低，這是因?yàn)镺2解離生成的高活性單原子O物種參與了氧化反應(yīng)，并導(dǎo)致反應(yīng)機(jī)制由自由基機(jī)理向表面催化機(jī)理轉(zhuǎn)變（圖2）。
圖2. （a）g-C3N4和（b）Co/g-C3N4上環(huán)己烷氧化反應(yīng)勢(shì)能面（黑實(shí)線為最優(yōu)反應(yīng)路徑；淺藍(lán)色、紅色、灰色、藍(lán)色分別代表Co、O、C、N）。右側(cè)為環(huán)己烷自氧化和單原子Co催化環(huán)己烷氧化機(jī)理示意圖。
作者簡(jiǎn)介
袁恩先
，揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，講師，研究方向：1. 飽和烷烴氧化非貴金屬催化劑開(kāi)發(fā)；2. 2,3-丁二醇選擇性脫氫高穩(wěn)定性Cu基催化劑的制備及反應(yīng)機(jī)理研究；3. 芳香性羰基化合物（蒽醌、糠醛）高效加氫Pd基催化劑的制備及反應(yīng)機(jī)理研究。
本人所在的揚(yáng)州大學(xué)工業(yè)催化課題組依托化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科，目前由4位老師和14名研究生組成，主要研究方向有：烷烴氯化工藝開(kāi)發(fā)以及工業(yè)化推廣；芳烴類化合物和環(huán)己烷氧化催化劑的制備以及機(jī)理研究；功能高分子復(fù)合材料開(kāi)發(fā)等。
文章信息
E.
展開(kāi) 本文章概述了目前正在開(kāi)發(fā)的最有前途的催化劑的技術(shù)時(shí)間表和特性，并討論了貴金屬和非貴金屬催化劑的剩余挑戰(zhàn)。最后，強(qiáng)調(diào)了催化劑和催化劑層組合設(shè)計(jì)策略的重要性，并對(duì)該領(lǐng)域的未來(lái)前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要討論。
在考慮 PGM （貴金屬）催化劑的活性時(shí)，有兩個(gè)主要指標(biāo)：(1) 比活性 (μA/cm2) 和 (2) 質(zhì)量活性 (A/mg)。催化劑的比活性提供了有關(guān)固有信息，因此是研究人員調(diào)整催化劑結(jié)構(gòu)和催化劑的電子特性以最大限度地提高氧還原反應(yīng)的交換電流密度的重要參數(shù)。由于比活性僅與發(fā)生在催化劑表面的過(guò)程有關(guān)，因此對(duì)于電極質(zhì)量不是關(guān)注因素的單個(gè)催化劑研究來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)很好的指標(biāo)。事實(shí)上，正是通過(guò)分析和比較比活性，許多最重要的催化劑取得了進(jìn)展，包括 Pt3Ni(111) 的開(kāi)創(chuàng)性工作，其比活性比商業(yè) Pt/C 高 90 倍，并且具有對(duì)全球催化研究工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。但是，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，成本是首要考慮因素；因此，質(zhì)量活性最終才是最重要的，因?yàn)檫@個(gè)指標(biāo)可以直接轉(zhuǎn)移到成本上。重要的是，該指標(biāo)考慮了固有活性（比活性）和利用率（表面原子與體積的比率）。
因此，對(duì)于這個(gè)觀點(diǎn)，在討論下一代 ORR 催化劑時(shí)，主要的活性指標(biāo)將是質(zhì)量活性。
在深入分析之前的另一個(gè)重要概念是“Pt 利用率”，根據(jù)是采用催化劑還是催化劑層的觀點(diǎn)，它可能具有非常不同的含義。
定義1：對(duì)于催化劑研究人員來(lái)說(shuō)，Pt 利用率基于“分散”的概念，是表面原子與體積比的量度。從這個(gè)意義上說(shuō)，Pt 的利用率與陰極催化劑層 (CCL) 的設(shè)計(jì)程度無(wú)關(guān)。
定義2：
對(duì)于催化層研究人員而言，Pt 利用率可以指膜電極組件 (MEA) 中電化學(xué)可利用 Pt 面積與預(yù)期 Pt 面積之比 [基于透射電子顯微鏡 (TEM)、X 射線衍射 (XRD)、旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極 (RDE) 或其他測(cè)量]。
展開(kāi) 氫氣經(jīng)過(guò)濾器去除鐵屑等顆粒雜質(zhì)后進(jìn)入反應(yīng)器底部，混合物料自下向上流經(jīng)反應(yīng)器內(nèi)TORH-1催化劑床層，在催化劑的作用下發(fā)生選擇性加氫反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)反應(yīng)器出口調(diào)節(jié)閥控制流量和壓力，與脫戊烷塔塔底油換熱后進(jìn)入脫戊烷塔，反應(yīng)過(guò)剩氫氣及輕烴由脫戊烷塔塔頂排入氫氣回收系統(tǒng)，塔底精制生成油進(jìn)入芳烴裝置生產(chǎn)芳烴產(chǎn)品。
02
脫烯烴催化劑
重整生成油選擇性加氫脫烯烴TORH-1催化劑的主要物化性質(zhì)見(jiàn)表1。
TORH-1催化劑載體為采用新型的催化材料制備、具有特殊孔道的氧化鋁，載體的比表面積和孔體積明顯高于現(xiàn)有的脫烯烴催化劑，催化劑獨(dú)特的孔結(jié)構(gòu)性質(zhì)不僅有利于脫烯烴反應(yīng)內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程，而且還有利于催化劑再生的燒炭過(guò)程。TORH-1催化劑具有積炭速率低、選擇性高、活性穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。催化劑開(kāi)工時(shí)不需要額外預(yù)硫化，開(kāi)工方法更簡(jiǎn)便（節(jié)省開(kāi)工時(shí)間）、安全（降低開(kāi)工風(fēng)險(xiǎn)）和綠色環(huán)保，能產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
TORH-1催化劑的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)試驗(yàn)在壓力2.0MPa、入口溫度150℃、質(zhì)量空速10.0h-1、氫油體積比3~50的反應(yīng)條件下進(jìn)行，以溴指數(shù)不大于6000mgBR/（100g）的重整生成油為原料，脫烯烴轉(zhuǎn)化率不低于95%，產(chǎn)品溴指數(shù)小于150mgBR/（100g），芳烴損失不大于0.2%。
展開(kāi) 工業(yè)排放物中VOCs催化燃燒治理技術(shù)
VOCs是制藥、石油化工、制印刷、噴漆、制鞋、飼料和糧食等行業(yè)排放廢氣中的主要污染物，大多具有毒性并伴有惡臭，部分還可以致癌，且多數(shù)對(duì)臭氧層有破壞作用。
傳統(tǒng)的有機(jī)廢氣凈化方法有吸附法、冷凝法和直接燃燒法等，易產(chǎn)生二次污染，能耗大，易受有機(jī)廢氣濃度和溫度條件限制。催化燃燒技術(shù)針對(duì)不同濃度廢氣組合多種工藝進(jìn)行尾氣凈化處理，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。
技術(shù)特點(diǎn)
01起燃溫度低，反應(yīng)速率快，節(jié)省能源。
催化燃燒過(guò)程中，催化劑起到降低VOCs分子與氧分子反應(yīng)的活化能，改變反應(yīng)途徑的作用。有機(jī)廢氣催化燃燒與直接燃燒相比，具有起燃度低、能
耗少的顯著特點(diǎn)。在某些情況下，催化燃燒達(dá)到起燃溫度后便無(wú)需外界供熱。
02處理效率高，二次污染物和溫室氣體排放量少。
采用催化燃燒處理廢棄的凈化率通常在98%以上，終產(chǎn)物主要為CO?和H?O。由于催化燃燒溫度低，避免了NOx的生成。低溫催化燃燒輔助燃料消耗量減少，同時(shí)減少了溫室氣體CO?的排放量。
03適用范圍廣。
催化燃燒幾乎可以處理所有的烴類有機(jī)廢氣及惡臭氣體，適合處理的濃度范圍廣。對(duì)于有機(jī)化工、涂料、絕緣材料等行業(yè)排放的低濃度、多成分、無(wú)回收價(jià)值的廢氣，采用吸附-催化燃燒法的處理效果更好。
適用領(lǐng)域
?石油化工煉制過(guò)程釋放的含烴、苯、酚類等廢氣。
?涂料、油漆制造和使用時(shí)釋放的含甲苯、苯、甲醛等廢氣。
?精細(xì)化工、電子、汽車生產(chǎn)等過(guò)程釋放的有毒、有害廢氣。
展開(kāi) 
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工業(yè)催化的最新內(nèi)容
可燃?xì)怏w探測(cè)器中監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w濃度的核心元器件，工采網(wǎng)推薦適配工業(yè)場(chǎng)景的催化燃燒傳感器TGS6814。該傳感器為日本進(jìn)口，其搭載的報(bào)警器，相較于市場(chǎng)同類產(chǎn)品，在長(zhǎng)期穩(wěn)定性、抗干擾抗中毒能力、抗跌落性能等方面均具備顯著優(yōu)勢(shì)，且功耗更低，可適配極端工業(yè)環(huán)境的使用需求。
聚烯烴工業(yè)中單活性中心催化開(kāi)辟了新的聚合物合成思路，在特定的應(yīng)用中設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)提高樹(shù)脂性能。通過(guò)多催化劑和多反應(yīng)器工藝或者通過(guò)單活性中心樹(shù)脂和齊格納塔樹(shù)脂混合擠出都可以改變分子量和化學(xué)組分分布信息。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可通過(guò)改變立構(gòu)規(guī)整度，PE、PP均聚物和EP共聚物的含量等，獲得性能優(yōu)異的PP共聚物。
對(duì)于復(fù)雜樹(shù)脂的表征是很困難的，它需要多學(xué)科的方法去解決化學(xué)組分和分子量分布的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：CP2K；沸石；小分子吸附；結(jié)構(gòu)優(yōu)化
沸石（Zeolite）是一類含鋁硅酸鹽微孔材料，兼具可調(diào)孔徑、大比表面積與優(yōu)異熱穩(wěn)定性，在離子交換、吸附分離及催化等工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)重要地位。目前已鑒定出 200 余種不同的沸石骨架類型。
在其晶體結(jié)構(gòu)中，若四面體 SiO? 單元中的 Si 被 Al 等價(jià)取代，就會(huì)生成帶負(fù)電荷的 [AlO?]? 位點(diǎn)，需通過(guò)陽(yáng)離子進(jìn)行電荷補(bǔ)償。
一代材料一代產(chǎn)業(yè)，公司主要從事各類高端陶瓷材料及制品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，形成了電子材料、催化材料、生物醫(yī)療材料、新能源材料、精密陶瓷和其他材料六大業(yè)務(wù)板塊，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在電子信息和通訊、汽車及工業(yè)催化、生物醫(yī)療、新能源汽車、半導(dǎo)體、建筑陶瓷、太陽(yáng)能光伏等領(lǐng)域。國(guó)瓷高導(dǎo)熱陶瓷基板項(xiàng)目公示材料顯示，項(xiàng)目建成后可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)氧化鋁粉體3000t，氮化鋁粉體200t，高導(dǎo)熱陶瓷基板200萬(wàn)片。
主要產(chǎn)品包括：納米級(jí)鈦酸鋇及配方粉、納米級(jí)復(fù)合氧化鋯、高熱穩(wěn)定性氧化鋁、氮化鋁、蜂窩陶瓷、噴墨打印用陶瓷墨水、陶瓷球及陶瓷軸承等，產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在電子信息和5G通訊、生物醫(yī)療、汽車及工業(yè)催化等領(lǐng)域。
（5）廣東宇星阻燃新材股份有限公司
廣東宇星阻燃新材股份有限公司位于廣東省豐順縣，創(chuàng)建于1998年。作為一家新型高新技術(shù)企業(yè)，致力于環(huán)保高效新型阻燃產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。
UV光氧凈化器運(yùn)用有機(jī)廢氣臭味表層中的水分和co2作為還原劑，合理地溶解有害工業(yè)廢氣體變成催化氧化高效率清潔、節(jié)約資源的特性。
UV光氧凈化器運(yùn)用有機(jī)廢氣臭味表層中的水分和co2作為還原劑，合理地溶解有害工業(yè)廢氣體變成催化氧化高效率清潔、節(jié)約資源的特性。
UV光氧凈化器運(yùn)用有機(jī)廢氣臭味表層中的水分和co2作為還原劑，合理地溶解有害工業(yè)廢氣體變成催化氧化高效率清潔、節(jié)約資源的特性。
本人所在的揚(yáng)州大學(xué)工業(yè)催化課題組依托化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科，目前由4位老師和14名研究生組成，主要研究方向有：烷烴氯化工藝開(kāi)發(fā)以及工業(yè)化推廣；芳烴類化合物和環(huán)己烷氧化催化劑的制備以及機(jī)理研究；功能高分子復(fù)合材料開(kāi)發(fā)等。
當(dāng)今90%的化學(xué)工業(yè)中包含有催化劑過(guò)程，催化劑在生產(chǎn)中提高反應(yīng)速率和選擇性。而隨著工業(yè)生產(chǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)，催化劑會(huì)失活，是催化反應(yīng)的速率下降。小7給您講講如何使失活催化劑的活性得到再生，產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益。
催化劑失活是在恒定反應(yīng)條件下進(jìn)行的催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間增長(zhǎng)而下降的現(xiàn)象。
