Wykorzystanie węgla aktywnego jako nośnika katalizatorów metali szlachetnych
Howard Wisniowski, Yong Zhang
Cabot Norit Activated Carbon, Cabot Corporation
Większość procesów chemicznych wymaga katalizatora, co czyni je kluczowymi dla przemysłu farmaceutycznego i chemicznego. Węgiel aktywny jest materiałem, który posiada wszystkie wymagane cechy do wykorzystania jako nośnik katalizatora. W porównaniu do innych nośników, takich jak krzemionka lub tlenek glinu, węgiel aktywny zapewnia:
- Większą powierzchnię wewnętrzną, aby uzyskać wyższą szybkość reakcji (jak pokazano na Rysunku 1) i niższy koszt na metr sześcienny
- Stabilną obojętność w trudnych warunkach procesowych, takich jak roztwory kwaśne i alkaliczne<
- Zminimalizowana ingerencja w selektywność lub aktywność katalizy ze względu na udział węgla w większości reakcji
- Dostępny w postaci proszku, granulatu i wytłaczanych kształtów
- Łatwe odzyskiwanie metali szlachetnych
Rysunek 1. Porównanie różnych komercyjnych nośników katalizatorów z metali szlachetnych1
Nośniki katalizatora z węglem aktywnym Cabot Norit oferują spójność, wysoką czystość, niskie ścieranie i unikalne właściwości chemiczne powierzchni. Produkty te są dostępne w różnych rozkładach wielkości porów, co skutkuje doskonałą dyspersją katalizatora na powierzchni węgla.
Co to jest węgiel aktywny
Węgiel aktywny jest wysoce porowatym materiałem adsorpcyjnym o dużej powierzchni i w dużej mierze amorficznej strukturze. Składa się głównie z aromatycznych konfiguracji atomów węgla połączonych losowymi wiązaniami krzyżowymi. Węgiel aktywny różni się od innej formy węgla - grafitu - tym, że węgiel aktywny ma arkusze lub grupy atomów, które są ułożone nierównomiernie w nieuporządkowany sposób. Stopień uporządkowania różni się w zależności od surowca wyjściowego i historii termicznej. Grafitowe płytki w węglu aktywowanym parą są nieco uporządkowane, podczas gdy bardziej amorficzne struktury aromatyczne znajdują się w chemicznie aktywowanym drewnie.
Przypadkowe wiązanie tworzy wysoce porowatą strukturę z licznymi pęknięciami, szczelinami i pustkami między warstwami węgla. Wielkość cząsteczek, porowatość i wynikająca z tego ogromna powierzchnia wewnętrzna węgla aktywnego sprawiają, że materiał ten jest niezwykle skuteczny w adsorbowaniu szerokiego zakresu zanieczyszczeń zarówno z cieczy, jak i gazów. Aby zapewnić pewną perspektywę dla wewnętrznej powierzchni węgla aktywnego, roczna produkcja węgla aktywnego Cabot Norit ma powierzchnię prawie równą całkowitej powierzchni lądowej na Ziemi (148 mln km²). Rysunek 2 pokazuje dwa mikrografy wewnętrznej struktury węgla aktywnego opartego na aktywowanym parą węglu brunatnym.
Rysunek 2.Te obrazy z mikroskopu helowo-jonowego pokazują strukturę porów węgla aktywnego na bazie lignitu
Sorbenty z węglem aktywnym są dostosowane do konkretnych zastosowań, głównie w oparciu o wymagania dotyczące wielkości porów i objętości porów. Porowatość i inne parametry są kontrolowane przez wybór surowca, warunki procesu aktywacji i etapy przetwarzania końcowego. W zależności od zastosowania, węgiel aktywny może mieć postać proszku (PAC), granulatu (GAC) lub ekstrudatu (EAC). Wszystkie trzy formy są dostępne w różnych rozmiarach cząstek (Rysunek 3).
Rysunek 3. Formy węgla aktywnego.
Węgiel aktywny jako nośnik katalizatora
Wiele współczesnych procesów chemicznych wymaga zastosowania katalizatora na nośniku. Większa powierzchnia wewnętrzna, wysoka obojętność i wszechstronność sprawiają, że nasze węgle aktywne są idealnym wsparciem w wielu zastosowaniach, w tym:
- Katalizatory metali szlachetnych (np. Au, Pt, Pd, Ir, Ru, Rh, itp.)
- Katalizatory metali bazowych (np. Ni, Co, Cu, Zn, itp.).Ni, Co, Cu, Zn, Fe)
Wsparcie katalizatorów metali szlachetnych w syntezie farmaceutycznej i chemicznej
Większość firm farmaceutycznych i chemicznych wymaga katalizatorów do syntezy chemicznej. Produkty Cabot Norit z węglem aktywnym odgrywają kluczową rolę jako nośniki metali szlachetnych w tych zastosowaniach, oferując ścisłe specyfikacje produktu, zwiększając wydajność procesu impregnacji katalizatora i skracając cenny czas testowania i procesu.
Typowe zastosowania w reakcjach chemicznych
- Uwodornienie (Schemat 1)
- Hydrodehalogenowanie (Schemat 2)
- Redukcyjne alkilowanie/aminowanie (Schemat 3)
- Rozszczepienie węgiel-tlen/azot
- Dekarbonylacja
- Dyproporcjonowanie
- Dehydrogenacja
- Dehydrohalogenacja
- Debenzylacja (Schemat 4)
- Schemat 4 Schemat 4)
- Oksydacja (Schemat 5)
- Synteza hydroksyloaminy
- Elektrokataliza
Schemat 1.2
Schemat 4.5
Schemat 2.3
Schemat 5. 6
Schemat 3.4
Wybór odpowiedniego węgla aktywnego
Z uwagi na wysokie wymagania dotyczące wydajności w złożonych procesach technicznych, do zastosowań katalitycznych wybierane są tylko najwyższej jakości węgle aktywne. Produkty Cabot Norit z węglem aktywnym spełniają te wymagania, zapewniając optymalną czystość, objętość porów, kształt, twardość i niezbędną funkcjonalność powierzchni, co czyni je idealnym wyborem do zastosowań w katalizatorach. Rysunek 4 podsumowuje właściwości niektórych z naszych materiałów z węglem aktywnym stosowanych w nośnikach katalizatorów metali szlachetnych.
Wymagania dotyczące wydajności sproszkowanego węgla aktywnego
Kinetyka i filtrowalność
Osiąga się to poprzez kontrolowanie rozkładu wielkości cząstek. Szerszy rozkład wielkości cząstek zapewnia lepszą kinetykę między reagentami a rzeczywistym katalizatorem. Wąski rozmiar cząstek zapewni szybką filtrację, ale poświęci charakterystykę zawiesiny.
Optymalna aktywność katalizatora
Wyższa mezoporowatość zapewni korzyści w postaci dostępnej powierzchni do dyspersji katalizatora, szybszego transportu reagentów do i z porów oraz ewentualnej adsorpcji niepożądanych produktów ubocznych.
Minimalizacja reakcji ubocznych
Wysoka czystość węgla aktywnego jest wymagana, aby zapobiec reakcjom ubocznym lub zatruciu katalizatora.
Wymagania dotyczące wydajności wytłaczanego węgla aktywnego
Minimalizacja strat metalu
Wymagana jest wysoka wytrzymałość na zgniatanie, aby zapobiec zapadaniu się złoża węgla. Wysoka twardość skutkuje niską ścieralnością, aby uniknąć rozpadu katalizatora na drobne cząstki, co minimalizuje utratę metali szlachetnych.
Dłuższa żywotność i wyższa wydajność
Skuteczne przezwyciężenie zatrucia rzeczywistego katalizatora wydłuży jego żywotność.
Wyższa aktywność
Osiąga się to dzięki większej powierzchni węgli o wyższej mezoporowatości. W tej sytuacji metalowy katalizator "skorupki jajka" jest głównie rozproszony na zewnątrz cząsteczki węgla.
Referencje
Zaloguj się lub utwórz konto, aby kontynuować.
Nie masz konta użytkownika?