خنثی سازی گازهای سمی با “کاتالیست‌”

به گزارش ممتاز به نقل از خبرنگار اقتصادی باشگاه خبرنگاران، اساسآ کاتالیزور به عنوان یک ترکیب شیمیایی در نظر گرفته می شود که قادر به اعمال اثر تسریع کنندگی و اثر جهت دهندگی بر پیشرفت واکنشی باشد که از نظر ترمودینامیکی امکان پذیر است. هنگامی که کاتالیزور به صورت محلول در محیط واکنشی است “کاتالیزور همگن” و وقتی که کاتالیزور فازی مجزا از فاز واکنش تشکیل میدهد “کاتالیزور ناهمگن” نامیده می شود.

در اکثر موارد کاتالیزور ناهمگن، کاتالیزور جامدی است که از تماس با آن واکنش گرهای گازی یا مایع، متحول می شوند و در نتیجه خیلی اوقات عبارت “کاتالیست” برای نامیدن کاتالیزور ناهمگن به کار می رود . 

کاتالیست (Catalyst) ماده ای است که می تواند منجر به تغییر نرخ (سرعت) یک واکنش شیمیایی شود، بدون آنکه خود در واکنش مصرف شود.  بصورت تئوری دو نوع کاتالیست وجود دارد: گاتالیست مثبت که منجر به افزایش نرخ واکنش می شود و کاتالبست منفی که منجر به کاهش نرخ واکنش می شود. در صنعت همواره منظور از کاتالیست، کاتالیست مثبت است و کاتالیست منفی مهار کننده (inhibitor) نامیده می شود. 

وجود کاتالیست سبب امکانپذیر شدن واکنش های جایگزین برای تولید محصول فرایند شیمیایی می شود که انرژی فعال سازی کمتری نسبت به واکنش بدون کاتالیست دارند بنابراین نرخ واکنش افزایش می یابد.  کاتالیست در حین واکنش شیمیایی دچار تغییر فاز شیمیایی می شود اما در نهایت بازتولید شده و به شکل اولیه بر می گردد. 

کاتالیست تا ۹۰٪ گازهای سمی را بی‌اثر می‌کند به‌گونه‌ای که هیدروکربن‌های نسوخته که از موتور خارج می‌شوند را به آب و دی اکسید کربن تبدیل می‌کند. علاوه بر این اکسید ازت را به گاز ازت تبدیل می‌کند بنابراین کاتالیست در کاهش آلودگی هوا بسیار موثر است. طول عمر مفید کاتالیست ۵۰۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ کیلومتر است. مبدل‌های کاتالیست که هم اکنون بر روی خودروهای تولیدی در ایران نصب می‌شود تا میزان آلایندگی آنها را کاهش دهد پس از ۸۰۰۰۰ کیلومتر پر شده و عملاً کارایی خود را از دست می‌دهد و میزان آلایندگی خودرو تا پنج برابر افزایش می‌یابد. متوسط عمر کاتالیست چیزی حدود ۴ سال است و پس از مدت زمان یاد شده باید قطعه مورد نظر تعویض شود.

در ایران، بود یا نبود کنیستر و کاتالیست‌ها در معاینه فنی خودروها سنجیده نمی‌شود و اگر در آن زمان هم مورد بررسی قرار بگیرد، نمی‌توان این قطعات را روی آن نصب کرد. شرکت‌های خودروسازی در ایران از سال ۱۳۸۲ نصب کاتالیست را در خودروهای داخلی آغاز کردند و قبل از این تاریخ خودروها فاقد استاندارد بوده‌اند و به همین سبب آلایندگی این خودروها بیش از ۳۰ برابر سایر خودروها است و براین اساس خروج خودروهای مدل ۱۳۸۲ به پایین در سازمان حفاظت از محیط زیست ارائه شده است. احتمال می‌رود در تعدادی از خودروهای تولیدی سه ماهه آخر سال ۱۳۸۶ نیز قطعه کاتالیست نصب نشده باشد.

به سبب طرح جامع کاهش آلودگی هوا «آزمون صحت کاتالیست کانورتور و کربن کنیستر در معاینات فنی خودروها به منظور صدور برگه و برچسب معاینه فنی از ابتدای سال ۹۱ اجباری است»

** انواع کاتالیست ها 

کاتالیست ها به دو دسته ی متفاوت زیر تقسیم می شوند:
    • کاتالیست های همگن: اگر کاتالیست در فاز مشابه با فاز واکنش دهنده ها قرار داشته باشد، کاتالیست همگن نامیده می گردد.

    • کاتالیست های غیرهمگن: اگر کاتالیست در فازی متفاوت با فاز واکنش دهنده ها باشد، کاتالیست غیرهمگن نامیده می گردد.

انواع مواد جامدی که به عنوان کاتالیست استفاده می شوند:
انواع مختلفی از مواد جامد در کاتالیست های غیرهمگن مورد استفاده قرار می گیرد؛ مانند:  فلزات، اکسیدهای فلزی، سولفیدهای فلزی و غیره. این مواد ممکن است به شکل خالص یا ترکیبی مورد استفاده قرار گیرند. علاوه بر این، این مواد ممکن است بلوری، میکروبلوری یا آمورف باشند. این کاتالیست ها در یک حالت ساییده شده و پودری مورد استفاده قرار می گیرند تا مساحت سطح بزرگ تری در واکنش ها داشته باشند.

**پژوهشکده کاتالیست و نانو فناوری

این مجموعه در سال ۱۳۴۸ تحت عنوان واحد کاتالیست فعالیت تحقیقاتی، مشاوره ای و خدماتی خود را در پژوهشگاه صنعت نفت آغاز کرد و با توسعه ساختاری در سال ۱۳۸۱ فعالیت خود را با عنوان مرکز تحقیقات کاتالیست ادامه داد. با توجه به لزوم تحقیق در مرزهای دانش و توسعه کاتالیست ها و جاذب ها با ساختارهای نانو، ارتباط تنگاتنگ با مرکز تحقیقات نانو که فعالیت های شاخصی در این زمینه ها داشته، احساس گردید. در همین راستا در سال ۱۳۹۰ با تجدید ساختار در پژوهشگاه صنعت نفت، پژوهشکده تازه کاتالیست و نانوفناوری به منظور هم افزایی فعالیت های دو مجموعه تاسیس گردید. در حال حاضر فعالیت های این پژوهشکده در چهار گروه پژوهشی، ساخت کاتالیست در مقیاس آزمایشگاهی و نیمه صنعتی، شناسایی و بررسی های راکتوری کاتالیست، مهندسی واکنشهای کاتالیستی و نیز گروه پژوهشی توسعه فناوری های نانو و کربن انجام می گیرد. عمده اهداف و فعالیت های پژوهشکده در راستای توسعه دانش فنی کاتالیست ها و جاذب های پر مصرف، رفع مشکلات گلوگاهی و ارائه خدمات علمی و مشاوره ای به شرکت های پالایش، پتروشیمی، گاز و سایر صنایع مرتبط در کشور می باشد.

این پژوهشده از گروه های پژوهشی شناسایی و ارزیابی کاتالیست، ساخت کاتالیست، توسعه فناوری نانو و کربن و مهندسی واکنش‌های کاتالیستی تشکیل شده است.

بطور کلی کاتالیستها به سه دسته تقسیم می شوند:
۱- کاتالیستهای فلزی، از قبیل Fe، Co، Ni، Rh، Pt و غیره.
۲- کاتالیستهای عایق، از قبیل سیلیکا، آلومینا، زئولیتها و آلومینای فعال شده. (این نوع کاتالیستها نسبت به آمونیاک و بازهای الی حساس می باشند.)
۳- کاتالیستهای نیمه هادی، از قبیل اکسیدهای فلزی و سولفیدها.
غیرفعال شدن کاتالیستها  
کاتالیستها تحت سه پدیده غیر فعال می شوند که عبارتند از :
۱- Fouling
2- Sintering
3- Poisoning
Fouling : یک پدیده فیزیکی است که در ان Active Site و یا تمام سطح نگه دارنده کاتالیست، توسط کک یا رسوبهای غیرالی پوشیده می گردد. دز این حالت احیا و یا بازیابی کاتالیست با روشهای نسبتآ ساده انجام می گردد.
ُSintering : یک فرآیند حرارتی است که در نتیجه آن سطح کاتالیست شکل اصلی خود را از دیدگاه میکروسکوپی از دست می دهد. پدیده Sintering معمولآ در درجه حرارتهای بالای C 650- 500 به سرعت رخ میدهد، ولی در درجه حرارتهای پایین نیز در مدت طولانی ملاحظه می گردد.

Poisoning : مسموم شدن یا ترکیب شیمیایی سطح کاتالیست با ترکیب ناخواسته است که در نتیجه وجود ناخالصیها در ترکیب شونده ها رخ میدهد. به سبب واکنش شیمیایی ناخالصیهای ترکیب شونده ها با سطح کاتالیست، فعالیت آن به صورت عمده کاهش می یابد.

** واکنشهای کاتالیزوری جامد

این واکنشها دوفازی می باشند که کاتالیست فاز جامد، و ترکیب شونده ها و محصولات، فاز سیال می باشند. اصولآ واکنشهای کاتالیزوری شامل شکسته شدن یا سنتز مولکولها است و معمولآ این واکنشها انرژی اکتیواسیون بالایی دارند و در نتیجه بدون وجود یک ماده تسریع کننده، انجام واکنش ممکن نیست. مانند تولید امونیاک. (بعضی کاتالیستها سرعت واکنش را کند می کنند یعنی Inhibitors)
 
یکی از مهمترین خواصی که باید کاتالیستها داشته باشند، مسئله انتخاب پذیری (Selecting) آنهاست. یعنی کاتالیستها بین صدها واکنش که ممکن است صورت گیرد، فعل وانفعالی که ما می خواهیم را تسریع کند و معمولآ واکنشها و کاتالیستهای حیاتی، صددرصد چنین وضعیتی را دارند، مثل آنزیمها.

در بعضی موارد انتخاب کاتالیزور مبنای علمی دارد. اگر واکنش هیدروژناسیون باشد از Pt استفاده می گردد، اگر اکسید کنندگی باشد از مولیبدن، اهن، نقره و… استفاده می گردد و در بسیار از موارد انتخاب کاتالیزور به صورت حدس و خطاست.

کاتالسیتهای جامد از مراکز فعالی (Active Site) تشکیل شده اند که این مراکز هم روی سطح خارجی می باشند و اگر متخلخل باشند، در داخل تخلخل هم هست. وقتی مولکولها به نقاط فعال نزدیک می شوند، طبق یک تئوری مولکولی جذب سطحی مراکز فعال می گردد و به صورت یک ماده واسطه درمی اید. در تئوری دیگر، مولکولها تحت تأثیر نقاط فعال قرار می گیرند ولی جذب نمی شوند (تحت تأثیر نیروها می باشند) و تحرکشان کم می گردد و انرژیشان تغییر می کند و به صورت یک ماده واسطه در می آیند. در تئوری دیگر، ماده جذب مراکز فعال می گردد، تبدیل به ماده واسطه شده و به صورت یک ریشه آزاد وارد فاز سیال شده و واکنش انجام می گیرد. در تئوری اول و دوم فعل و انفعال در حوالی نقاط فعال صورت می گیرد و در تئوری سوم واکنش در توده سیال صورت می پذیرد. 

اگر کاتالیزور ارزان باشد، در انها تخلخل ایجاد می کنیم (مدل فشار، اکسترود، یا رسوب دادن) و اگر ماده گرانبها باشد مثل Pt، از یک پایه برای کاتالیست استفاده می کنیم، مثل سیلیکاتها یا مواد سرامیکی.(این مواد را به صورت متخلخل تهیه کرده و بعد کاتالیزور گرانبها را روی این پایه رسوب می دهیم. مثل ابکاری به صورت یک لایه نازک)

علت اینکه تئوری (Active Site) وارد شده، این است که اگر ماده ای به صورت کاتالیست داشته باشیم، مثلآ (%۷۰ Fe2O3) و (%۳۰ MgO)، چنانچه در تهیه این مواد رعایت دستورالعمل را نکنیم، کاتالیست همین ماده را دارد، ولی خاصیت کاتالیستی ندارد. اگر کاتالیست تهیه شده کاملآ خاصیت لازم را داشته باشد و بخواهیم گرم و سریعآ سرد کنیم، بیشتر نقاط فعال از بین می روند ولی جنس ماده همان است. پس نقاط فعال یک خصوصیت فیزیکی می باشند که می توانند به وجود ایند یا از بین بروند.

** مشخصات اصلی کاتالیستها

۱- در طی واکنش، کاتالیست بدون تغییر باقی می ماند وتنها سرعت واکنش را افزایش می دهد.
۲- هنگامی که سازوکارهای متعددی برای انجام واکنش موجود باشند، کاتالیست بایستی خاصیت انتخاب پذیری داشته باشد. در اصل بایستی کاتالیست نسبت تولید ماده مطلوب را نسبت به ماده ناخواسته افزایش دهد.

۳- سرعت واکنش متناسب با غلظت کاتالیست است و برای واکنشهای گاز-جامد، سطح کاتالیست وسطوح فعال بسیار مهم است.

۴- در یک واکنش برگشت پذیر کاتالیست به همان نسبت که سرعت واکنش رفت را افزایش می دهد، بر سرعت واکنش برگشت هم مؤثر است. بنابراین ترکیبی درصد تعادلی سیستم چه در حضور کاتالیست و چه بدون آن یکسان است.

۵- در واکنشهای اتوکاتالیستی مقدار کمی از محصول بایستی در ابتدا وجود داشته باشد.
 
انتهای پیام/