催化剂的种类和现状

何璐红,赵 扬,曾汉辰

(河南应用技术职业学院,河南 郑州 450042)

1 催化剂制备和种类

1.1 制备

催化剂的使用和制备是催化工艺最主要的两个方面,但只有制得性能十分优良并可以正确的利用,才能在催化工程中发挥最大的作用,使原材料的利用率达到最大化、减少人力、财力的浪费。

催化剂的制备方法多种多样,即使所用的原材料一样,可能由于制法的不同,最后得到的催化剂作用也会不同。目前,制备催化剂所用的主要方法有:沉淀法、浸渍法、离子交换法、熔融法。不过随着新型催化材料的不停的呈现出来,也有新的制备技术出现,如微乳液技术、超临界技术、膜技术等[1]。

1.1.1 沉淀法

在可溶性的催化剂(如金属盐类的水溶液)成分中加入沉淀剂(如碱性物质),使可溶性的化合物从溶液中沉淀出来转变为难溶性化合物,经过过滤、洗涤、干燥、焙烧、成型、活化等一系列的步骤最后得到成品催化剂。在沉淀法制备催化剂时,应考虑溶液的浓度、温度、pH值和进料顺序(顺序加入、逆向加入)等因素的影响[2]。

1.1.2 浸渍法

浸渍法是将载体浸泡在含有活性组分的气体或液体中,与载体接触一段时间后,载体表面富含活性组分,当活性组分不能附着在载体表面时,将多余的液体除去,然后通过干燥、焙烧、活化等步骤获得催化剂[3]。

浸渍方法的优点:可以使用已成型的和载体的尺寸,消除催化剂的成型过程;可以选择合适的载体,提供催化剂所需的物理结构,如机械强度、孔径;假如在附载组分过多的活性物质分布在载体表面上,利用率高,成本低,这对于一些价值特别贵的金属催化剂起了很重要的作用。浸渍法又包括过量、等体积溶液、多次、蒸汽等四种浸渍法。

1.1.3 微乳液技术

“微乳液”最早是由Hoar和Schulma两人提出,是两种或多种不互溶液形成的性质稳定、外观透明或者半透明的溶液体系,微观上由水、油、表面活性剂(及助表面活性剂)按照一定的比例混合而形成的。不同于“乳状液”,微乳液性质非常的稳定,分散相质点很小,并且经过高速离心分离后也不易发生分层[4]。

其中以微乳液法制备纳米催化剂最为常见。将普通催化剂的反应溶于微乳液中,然后猛烈搅拌另一个反应产生反应(沉淀、氧化、还原等)。反应过后加入一些特定的溶液去除表面的油性物质和表面活性剂,最后经过干燥、焙烧,得到纳米催化剂[5]。微乳液法制备纳米催化剂时,应选择合适的微乳液体系确保纳米聚集体的均匀性。

微乳液因其独特的性质在化工行业、制药行业、化妆品行业、食品行业、尤其是在石油开采、利用领域有着无法取代的作用。20世纪90年代以后,人们对于微乳液技术的应用起了浓厚的兴趣,也从侧面促进了“微乳液技术制备催化剂”的发展,但在利用微乳液制备催化剂还存在着一些问题:如何处理制备催化剂之后遗留的油性物质和其他的废料、如何大规模的生产催化剂等一系列问题。目前来看,已经出现了超临界流体、水凝胶、超滤膜等与微乳液相结合的技术。

1.2 种类

按照催化剂的形态可以分为固体催化剂和液体催化剂;根据催化剂的反应体系,可分为均相催化剂和非均相催化剂。均相催化剂即反应物和催化剂处于均相状态(如液态、固态和气态),反应发生时不受相的限制。非均相催化剂与均相催化剂相反,反应物和催化剂的形态不同;按照反应的类型又可以为了裂化、汽化、加氢、脱氢、氧化、聚合、缩聚等;还有相较于以上催化剂较“绿色”的光催化和生物催化等[6]。

2 不同催化剂的现状

2.1 光催化剂

卢秋杭等人在《光催化剂的种类及制备与研究进展应用》中[7],简述了光催化剂可分为:纳米金属氧化物光催化剂、表面耦合型纳米半导体光催化剂、钙钛矿型氧化物结构光催化剂三种类型,并列举不同种类的催化剂的制备方法,简述其步骤和方法的优势;概括了光催化剂在污水处理方面、空气净化方面、抗菌方面、涂料方面、能源方面等的应用现状和带给人类的益处,并对光催化剂研究做出总结,提出了未来降低成本、提高利用率和回收率、提高光催化剂稳定性为研究方向,开发更高效的光催化剂、优化催化过程,应用到更广阔的领域。

2.2 生物催化剂

饶国华、赵某明在生物催化氧化酶工业化研究进展中阐述了“蛋白酶”的概念[8],并对“蛋白酶”与“生物催化剂”的关系进行了综述,重点论述了具有催化功能生物酶的分类:单加氧酶、双加氧酶、过氧化物酶、其他加氧酶;以及它们的酶在各自领域发挥的重要作用。指出了目前生物催化剂在工业研究中还存在的问题:氧化反应在生物转化系统内还具有一定的局限性、是否具有生物化学辅助因子在内的电子传导系统、低催化率、低稳定性;但这些问题也为将来研究人员研究生物催化剂提供了一个明确的目标,基于现有和新开发的技术,一定会研发出更有效的生物氧化酶体系。

2.3 固体酸催化剂

赵德志、安高军等人在《固体酸催化剂及其Prins反应催化剂性能研究进展》[9]中,综述了固体酸催化剂及其原理在固体酸催化剂及其催化性能方面的研究进展,固体酸催化剂可分为非负载型固体酸催化剂和负载型固体酸催化剂并对两种固体酸催化剂进行比较,相较于前者,后者具有载体热稳定性高、反应条件温和、分离容易、用量小等等优良特性,是未来研究的方向和聚焦点;详细说明了固体酸催化剂制备方法、结构,并对Prins反应生成C-C键机理进行了探索。最后对固体酸催化剂,特别是负载型固体酸催化剂的应用前景进行了展望。

2.4 加氢催化

董福华等人在《加氢催化剂预硫化技术现状分析》[10]解释了预硫化反应的基本原理和硫化剂的选取、处理方式。所述装置中的预硫化包括以下步骤: 气相和液相预硫化工艺;外部预硫化包括载硫体内活化和全硫活化两种方式。简述了加氢催化剂内外处理技术的优缺点,分析了两种固化剂处理技术的应用现状最后得出结论,反应器内预硫化技术将成为加氢催化剂预硫化技术的主要手段。

3 结论

目前,需要克服许多问题,如能源的日益减少;人口数量的迅速增长;重轻工业的发展使坏境变的越来越恶劣,自然生态恶化;有毒化学污染等等。如果不制备催化剂和新的催化剂,这些问题无法克服[11]。“催化剂”从问世以来,不知不觉在生活中承担了一个很重要的角色。经过长时间的发展,世界上制备催化剂技术和应用领域逐步完善。然而,我国在催化剂研究方面,无论是在新型催化剂和助催化剂的开发,还是在新技术和现有技术的推广方面,都还有很大的发展空间。