Heterojen Katalizörlerin Seçimi ve Devre Dışı Bırakılma Nedenleri

Farklı aktif bileşenlere dayanarak, heterojen katalizörler metal ve tuzları, metal oksitler ve kompozit metal oksit katalizörleri olarak ayrılabilir; şekillerine göre küresel, kısa sütunlu ve petek şekillerine ayrılabilirler; hazırlık süreçlerine göre destek kullananlar ve destek kullanmayanlar olarak ikiye ayrılabilirler.

Katı hal heterojen katalizörler, katalizör kaybını büyük ölçüde önler, atık sudan ayrıştırılması daha kolaydır ve iyi aktivite, iyi stabilite ve kısa arıtma süreci gibi avantajlara sahiptir;

Bununla birlikte, heterojen katalizör fazlar arasında kütle transferi vardır ve atık sudaki askıda katılar ve reaksiyon ara ürünleri, katalizör parçacıklarının kaplanmasına veya bloke olmasına neden olarak deaktivasyona yol açabilir.

(1) Metal/Desteklenen Katalizörler

Heterojen katalitik oksidasyon teknolojisinde soy metal katalizörler, yüksek aktiviteleri, uzun ömürleri ve güçlü uyarlanabilirlikleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. Aktif bileşenler olarak P, Pd ve Ru gibi soy metallerle yapılan katalizörler, yalnızca uyumlu hidrokarbon adsorpsiyon bölgelerine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda yüzey reaksiyonu ilerledikçe hızla oksijen aktivasyonuna ve hidrokarbon adsorpsiyonuna maruz kalabilen çok sayıda oksijen adsorpsiyon bölgesine de sahiptir. Daha iyi dağılabilirlik elde etmek ve kullanılan metal miktarını azaltmak için, Al3O2, SiO2, aktif karbon, TiO2, CeO2 ve ZrO2 gibi yüksek spesifik yüzey alanına sahip taşıyıcılar üzerindeki metalleri desteklemek için genellikle emprenye uygulanır.

(2) Metal Oksit/Desteklenen Katalizörler

Katalitik oksidasyon proseslerinde katalizör seçimi, çözeltinin özellikleri, katalizörün katalitik kapasitesi ve sudaki termal stabilitesi gibi çok sayıda faktörün dikkate alınmasını gerektirir. Bunlar arasında metal oksitler, yüksek stabiliteleri ve iyi aktiviteleri nedeniyle oldukça değerlidir.

Stabilitelerine göre katalizörler şu şekilde sınıflandırılabilir: 1. Titanyum oksit, vanadyum oksit, krom oksit, magnezyum oksit, çinko oksit ve alüminyum oksit gibi yüksek oksidasyon koşulları altında en stabil olan oksitler; 2. Demir oksit, kobalt oksit, nikel oksit ve kurşun oksit gibi orta stabiliteye sahip oksitler; 3. Kararsız yüksek-oksidasyon-halindeki oksitler ve platin, paladyum, rutenyum ve altın gibi soy metaller.

(3) Kompozit Oksit/Desteklenen Katalizörler

Katalitik aktivite düzenlemesinin tamamlayıcı ilkesine dayanarak, kompozit oksit katalizörlerin daha yüksek katalitik aktiviteye ulaşması beklenir. Sinerjistik etkiler, katalizör aktivitesini artırabilir ve aktif bileşenlerin çözünmesini engelleyebilir. Örneğin CoO, CuO veya NiO'nun Fe(III), Pt veya Ru oksitleriyle kombinasyonu etkili bir oksidasyon katalizörüdür.

(1) Katalizör Seçimi

Katalizör seçerken genel olarak aşağıdaki özelliklere sahip katalizörler kullanılmalıdır:

1. Hızlı oksidasyon oranı ve daha iyi faz teması, böylece reaksiyonun hızlandırılması;

2.-Seçici olmayan, tam oksidasyona olanak sağlayan;

3. Sıcak asidik çözeltilerde kararlı fizikokimyasal özellikler;

4. Yüksek sıcaklıklarda yüksek etkinlik ve uzun ömür, zehirlere karşı duyarsızlık;

5. Yüksek mekanik mukavemet ve aşınma direnci.

(2) Katalizör Desteği Seçimi

Katalizör destek parçacıklarının bileşimine bağlı olarak kabaca üç türe ayrılabilir: parçacıklı destekler, kaba-taneli destekler ve alt tabakalar.

Katalizörler kullanılırken genellikle aşağıdaki noktalar dikkate alınır:

1. Kimyasal bileşim ve dağılım;

2. Yüzey fizikokimyasal özellikleri-gözeneklilik, adsorpsiyon, elektrokimyasal ve mekanik özellikler;

3. Yüklenebilecek aktif maddenin kalınlığı ve miktarı;

4. Özel güç ve stabilite;

5. Kimyasal stabilite;

6. Aşınma direnci, sertlik ve basınç dayanımı;

7. Katalitik reaksiyonlara katılım.

Yüksek aktiviteye ve iyi seçiciliğe ek olarak, katalizörlerin aynı zamanda iyi mekanik dayanıma ve stabiliteye de sahip olması gerekir; stabilite, aktiviteyi bozma yeteneklerini etkiler.

Bir süre kullanımdan sonra, katalizör malzemesinin kaybı ve koklaşma nedeniyle katalizörler deaktivasyon yaşayacaktır.

Katalizör kaybı devre dışı kalmanın önemli bir nedenidir. Bu kayıp esas olarak pH'dan etkilenir ve aktif bileşenlerin çözünmesine neden olur. Deneysel çalışmalar, atık suyun pH'ının, sıvı fazdaki organik maddenin oksidasyonu üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir.

Örneğin, heterojen ozon katalizörleri asidik koşullar altında düşük reaksiyon hızları ve yüksek deaktivasyon hızları sergiler. Katalizör kaybı pH 7'de minimum düzeydedir. pH 7'den büyük ancak 9'dan küçük olduğunda katalizör kaybı meydana gelmez. Ancak pH 10'un üzerinde olduğunda reaksiyon hızı düşük kalır. Bu nedenle pH değerinin ayarlanması katalizör kaybını azaltabilir veya önleyebilir.

Katalizör koklaşması, katalizör kirlenmesinin deaktivasyonu olarak da bilinen, deaktivasyonun bir başka önemli nedenidir. Bunun temel nedeni, reaksiyon sırasında üretilen karbon, nitrojen ve diğer maddelerin katalizör yüzeyinde birikmesidir. Mühendislik uygulamaları, bazı heterojen katalizörlerin belirli bir zaman dilimi içerisinde yüksek bozunma oranları sergilediğini ve ardından etkisiz hale getirildiğini doğrulamıştır. Katalizör yüzeyinin enerji fotoelektrokimyasal kromatografisi (ESCA) analizi, sıvı fazdaki reaktanlar ile katalizör yüzeyi arasındaki teması engelleyen ve dolayısıyla deaktivasyona yol açan karbon birikimini ortaya çıkarır.