Selektions- und Deaktivierungsursachen heterogener Katalysatoren

Basierend auf den unterschiedlichen aktiven Komponenten können heterogene Katalysatoren in Metall und seine Salze, Metalloxide und zusammengesetzte Metalloxidkatalysatoren unterteilt werden; Aufgrund ihrer Form können sie in kugelförmige, kurze säulenförmige und wabenförmige Formen unterteilt werden. Aufgrund ihres Vorbereitungsprozesses können sie in diejenigen unterteilt werden, die eine Unterstützung verwenden, und diejenigen, die keine Unterstützung verwenden.

Heterogene Festkörperkatalysatoren verhindern weitgehend Katalysatorverluste, lassen sich leichter vom Abwasser trennen und bieten Vorteile wie gute Aktivität, gute Stabilität und kurze Behandlungsprozesse;

Es kommt jedoch zu einem Stoffaustausch zwischen heterogenen Katalysatorphasen, und suspendierte Feststoffe im Abwasser und in Reaktionszwischenprodukten können dazu führen, dass Katalysatorpartikel beschichtet oder blockiert werden, was zu einer Desaktivierung führt.

(1) Metall-/Trägerkatalysatoren

In der Technologie der heterogenen katalytischen Oxidation werden Edelmetallkatalysatoren aufgrund ihrer hohen Aktivität, langen Lebensdauer und starken Anpassungsfähigkeit häufig eingesetzt. Katalysatoren, die mit Edelmetallen wie P, Pd und Ru als aktiven Komponenten hergestellt werden, verfügen nicht nur über kompatible Kohlenwasserstoffadsorptionsstellen, sondern auch über eine große Anzahl von Sauerstoffadsorptionsstellen, die im Verlauf der Oberflächenreaktion schnell einer Sauerstoffaktivierung und Kohlenwasserstoffadsorption unterliegen können. Um eine bessere Dispergierbarkeit zu erreichen und die Menge des verwendeten Metalls zu reduzieren, wird häufig eine Imprägnierung eingesetzt, um Metalle auf Trägern mit hohen spezifischen Oberflächen wie Al3O2, SiO2, Aktivkohle, TiO2, CeO2 und ZrO2 zu trägern.

(2) Metalloxid-/Trägerkatalysatoren

Die Auswahl von Katalysatoren in katalytischen Oxidationsprozessen erfordert die Berücksichtigung zahlreicher Faktoren, wie etwa der Eigenschaften der Lösung, der katalytischen Kapazität des Katalysators und seiner thermischen Stabilität in Wasser. Unter diesen genießen Metalloxide aufgrund ihrer hohen Stabilität und guten Aktivität einen hohen Stellenwert.

Basierend auf ihrer Stabilität können Katalysatoren wie folgt klassifiziert werden: 1. Oxide, die unter hohen Oxidationsbedingungen am stabilsten sind, wie Titanoxid, Vanadiumoxid, Chromoxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid und Aluminiumoxid; 2. Oxide mit mäßiger Stabilität, wie etwa Eisenoxid, Kobaltoxid, Nickeloxid und Bleioxid; 3. Instabile Oxide und Edelmetalle mit hohem -Oxidationszustand-, wie Platin, Palladium, Ruthenium und Gold.

(3) Verbundoxid/Trägerkatalysatoren

Basierend auf dem komplementären Prinzip der katalytischen Aktivitätsregulierung wird erwartet, dass Mischoxidkatalysatoren eine höhere katalytische Aktivität erreichen. Synergistische Effekte können die Katalysatoraktivität steigern und die Auflösung aktiver Komponenten hemmen. Beispielsweise ist die Kombination von CoO, CuO oder NiO mit Oxiden von Fe(III), Pt oder Ru ein wirksamer Oxidationskatalysator.

(1) Katalysatorauswahl

Bei der Auswahl eines Katalysators sollten grundsätzlich Katalysatoren mit folgenden Eigenschaften verwendet werden:

1. Schnelle Oxidationsrate und besserer Phasenkontakt, wodurch die Reaktion beschleunigt wird;

2. Nicht-selektiv, was eine vollständige Oxidation ermöglicht;

3. Stabile physikalisch-chemische Eigenschaften in heißen sauren Lösungen;

4. Hohe Aktivität und lange Lebensdauer bei hohen Temperaturen und unempfindlich gegenüber Giften;

5. Hohe mechanische Festigkeit und Verschleißfestigkeit.

(2) Auswahl des Katalysatorträgers

Basierend auf der Zusammensetzung der Katalysatorträgerpartikel können diese grob in drei Typen unterteilt werden: Partikelträger, grobkörnige Träger und Substrate.

Beim Einsatz von Katalysatoren werden typischerweise folgende Punkte berücksichtigt:

1. Chemische Zusammensetzung und Dispersion;

2. Physikalisch-chemische Eigenschaften der Oberfläche-Porosität, Adsorption, elektrochemische und mechanische Eigenschaften;

3. Dicke und Menge des aktiven Materials, das geladen werden kann;

4. Spezifische Stärke und Stabilität;

5. Chemische Stabilität;

6. Abriebfestigkeit, Härte und Druckfestigkeit;

7. Teilnahme an katalytischen Reaktionen.

Neben hoher Aktivität und guter Selektivität müssen Katalysatoren auch über eine gute mechanische Festigkeit und Stabilität verfügen, wobei die Stabilität ihre Fähigkeit zum Aktivitätsabbau beeinflusst.

Nach einer gewissen Nutzungsdauer kommt es bei Katalysatoren zu einer Deaktivierung, hauptsächlich aufgrund des Verlusts von Katalysatormaterial und der Verkokung.

Katalysatorverlust ist eine Hauptursache für die Deaktivierung. Dieser Verlust wird hauptsächlich durch den pH-Wert beeinflusst, der dazu führt, dass sich die aktiven Komponenten auflösen. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass der pH-Wert des Abwassers einen erheblichen Einfluss auf die Oxidation organischer Stoffe in der flüssigen Phase hat.

Beispielsweise weisen heterogene Ozonkatalysatoren unter sauren Bedingungen niedrige Reaktionsgeschwindigkeiten und hohe Desaktivierungsraten auf. Der Katalysatorverlust ist bei pH 7 minimal. Wenn der pH-Wert größer als 7, aber kleiner als 9 ist, tritt kein Katalysatorverlust auf. Wenn der pH-Wert jedoch über 10 liegt, bleibt die Reaktionsgeschwindigkeit niedrig. Daher kann die Anpassung des pH-Wertes den Katalysatorverlust reduzieren oder verhindern.

Die Verkokung des Katalysators ist eine weitere Hauptursache für die Desaktivierung, die auch als Desaktivierung durch Katalysatorverschmutzung bezeichnet wird. Dies wird hauptsächlich durch die Ablagerung von Kohlenstoff, Stickstoff und anderen bei der Reaktion entstehenden Substanzen auf der Katalysatoroberfläche verursacht. Technische Anwendungen haben bestätigt, dass einige heterogene Katalysatoren innerhalb eines bestimmten Zeitraums hohe Abbauraten aufweisen, gefolgt von einer Desaktivierung. Die energiephotoelektrochemische Chromatographie (ESCA)-Analyse der Katalysatoroberfläche zeigt Kohlenstoffablagerungen, die den Kontakt zwischen den Reaktanten in der flüssigen Phase und der Katalysatoroberfläche behindern und so zur Desaktivierung führen.