کاتالیزورهای صنعتی و فناوری نانو

کاتالیزورهای صنعتی

کاتالیزورهای صنعتی و فناوری نانو

کاتالیزورهای صنعتی، از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند از صنایع تولید مواد غذایی گرفته تا صنایع نفتی. بدون استفاده از کاتالیزور، محصولات ضروری مانند رنگ‌ها، سوخت‌ها، الیاف، پلیمر‌ها، مواد شیمیایی و دارویی تولید نمی‌شوند.

اگرچه کاتالیزور‌ها کمی گران قیمت هستند، اما محصولات مورد نظر را بسیار سریع‌تر و با دقت بالا ارائه می‌دهند. کاتالیزور، ماده ای است که سرعت واکنش شیمیایی را بدون این که بخشی از محصول باشد تغییر می‌دهد. در مواردی که واکنش انفجاری باشد، سرعت واکنش را کاهش می‌دهد.

کاتالیزورها فرایند‌‌های تولید مواد شیمیایی را ایمن‌تر، آسان‌تر و سریع‌تر می‌کنند و این کار را با تنظیم انرژی فعال سازی مورد نیاز برای شروع واکنش‌های شمیایی انجام می‌دهند. کاهش انرژی فعال سازی باعث افزایش سرعت واکنش می‌شود. 

همان طور که می‌دانید فعالیت بالا، مساحت سطح بالا، گزینش پذیری بالا، محصولات جانبی کم، عدم تغییر آرایش، مقاومت مکانیکی بالا و … از ویژگی‌های مهم یک کاتالیزور محسوب می‌شود.

در سال1746، جی هیوز، از کاتالیزور اکسید نیتروژن در تولید اسید سولفوریک در حجم بالا استفاده کرد. این اولین بار بود که از کاتالیزور در مقادیر زیاد در مقیاس صنعتی استفاده می‌شد. در سال1900، توسعه‌ی تحقیقات روی کاتالیزورهای چندجزئی شروع شد، امروزه صنایع معمولا از کاتالیست‌های چند جزئی استفاده می‌کنند.

حتی در انسان، “آنزیم” به عنوان یک ماده‌ی بیولوژیکی به تنظیم سرعت واکنش شیمیایی در بدن انسان کمک کرده و در نتیجه به عنوان یک کاتالیزور عمل می‌کند.  

کاتالیزورهای صنعتی به پالایش صنعتی، فرایندهای تولید مواد شیمیایی، صرفه جویی در انرژی و توسعه منابع جدید انرژی کمک شایانی می‌کنند.

کاتالیزورهای صنعتی

ویژگی کاتالیزورهای صنعتی

  • کاتالیزورها به دلیل دارا بودن عملکرد دوگانه، نه تنها به عنوان شتاب دهنده بلکه به عنوان واکنش دهنده‌ی قابل بازیابی عمل می‌کنند
  • کاهش ضایعات تولید (ضایعات تولید شده در طی فرایند‌های تولید را کاهش می‌دهند، در نتیجه، سرعت تولید افزایش می‌یابد)
  • کاهش زمان تولید
  • سرکوب واکنش‌های انفجاری در زمان تولید
  • کمک به تولید بخش‌های نفتی بهبودیافته برای سوخت‌های پاک مانند بیودیزل، اتانول، گاز طبیعی و پروپان

استفاده از کاتالیزورهای صنعتی در صنایع مختلف

  • صنایع اتومبیل
  • صنایع بهداشتی
  • صنایع نفت و گاز (تصفیه‌ی نفت خام)
  • صنایع پتروشیمی
  • صنایع پوشاک
  • صنایع کشاورزی (تولید کودها)
  • تولید پلیمر

برخی کاتالیزورهای صنعتی شیمیایی متداول مورد استفاده در صنایع

پلاتین + آلومینا

یک کاتالیزور دوکاره (دارای دو گروه مجزا)، پلاتین، آلکان‌ها را دهیدروژنه می‌کند و مولکول‌های آلکن حاصل به وسیله آلومینا جذب می‌شوند.

پلاتین + آلومینا
نیکل

یک کاتالیزور ناهمگن، که در تولید گاز سنتز استفاده می‌شود و هزینه نسبتا پایینی دارد.

نیکل
وانادیوم

از این کاتالیزور در تولید سولفوریک اسید استفاده می‌شود، کیفیت و اندازه‌ی وانادیوم، ارتباط زیادی با خروجی نهایی کاتالیزور دارد (ناخالصی‌هایی مانند فلوراید، مونوکسید کربن، آرسنیک‌ها و کلرید‌ها) می‌توانند میزان سولفوریک اسید موجود در محصول نهایی را کاهش دهند.

وانادیوم
آلومینیوم سیلیکات

در فرایند کراکینگ (تجزیه‌ی مولکول‌های هیدروکربنی بزرگ به قطعات کوچکتر در حضور کاتالیزور) برای تشکیل یک محصول مفید‌تر استفاده می‌شود.

آلومینیوم سیلیکات
زئولیت ها

معمولا بصورت پَلِت استفاده می‌شوند، تولید صنعتی بنزین از نفت خام، بدون زئولیت، امروزه غیر قابل تصور است، کاتالیزورها در مقیاس نانو و از طریق واکنش دهنده‌های مایع یا گازی، در منافذ این کاتالیزور نفوذ می‌کنند و بعدا می‌توانند بازیافت یا خارج شوند. فعالیت بالا، انتخاب پذیری و پایداری از ویژگی‌های این کاتالیست می‌باشد

زئولیت ها


تولید کاتالیزورهای صنعتی

سیستم تولید کاتالیزور، باید فرایندهای متوالی را طی کند، که ممکن است بر اساس کاتالیزور تولید شده یا تولید کننده‌ی آن متفاوت باشد. در میان این فرایند‌ها، فرایند آماده سازی، مهم‌ترین بخش می‌باشد، زیرا تاثیر آن بر ویژگی کاتالیزور تولید شده منعکس می‌گردد.

فرایند آماده سازی، نقش مهمی در انتخاب پذیری و کارایی کاتالیزور دارد.

مراحل تولید کاتالیزورهای صنعتی در صنایع شیمیایی شامل

  1. انتخاب ماده‌ی مناسب برای تولید کاتالیزور
  2. مخلوط کردن این مواد (محلول یا سوسپانسیون)
  3. تبلور
  4. تصفیه
  5. شست و شو
  6. مخلوط کردن و ورز دادن پودرها
  7. خشک کردن
  8. مخلوط کردن با یک عامل تشکیل دهنده، روان کننده و اتصال دهنده
  9. شکل گیری
  10. تلقیح
  11. فعال سازی یا کاهش به حالت اکسیداسیون مطلوب

در طی تولید کاتالیزورهای صنعتی، باید از پشتیبانی فلزی فعال مطمئن باشیم. (پشتیبانی، ماده ای است که بزرگترین جزء کاتالیزور را تشکیل می‌دهد). ماهیت واکنشی که کاتالیزور در آن حضور دارد، فعالیت پشتیبانی را تعیین می‌کند.

بازیافت کاتالیزورهای صنعتی

بازیافت، بهترین راه برای دستیابی به دفع ایمن کاتالیزورهای مصرف شده است، حرکتی مهم در کاهش دفع زباله های خطرناک و صرفه جویی در منابع طبیعی با منافع اقتصادی می‌باشد. به ویژه در بازیابی فلزات یا نانو ذرات فلزی یا نانوکاتالیست‌های شامل فلز به عنوان کاتالیزور. بازیافت کاتالیزورها در شیمی سبز از اهمیت بالایی برخوردار است.

مراحل خاص برای بازیافت کاتالیزور شامل: روغن گیری، سنگ زنی، خشک کردن و الک کردن می‌باشد.

کاتالیزورهای نرم، مانند اترهای تاجی (به عنوان کاتالیزورهای انتقال فاز) و زئولیت‌ها،کاربرد‌های صنعتی بیشتری نسبت به کاتالیزور‌های فلزات سنگین دارند که معمولا غیر قابل بازیافت هستند.

عملکرد کاتالیزورهای صنعتی در تولید محصولات شیمیایی

واکنش هابر(تولید صنعتی آمونیاک، از نیتروژن و هیدروژن)
واکنش هابر(تولید صنعتی آمونیاک، از نیتروژن و هیدروژن)
فرایند رفرمینگ بخار متان و واکنش جابجایی گاز- آب
فرایند رفرمینگ بخار متان و واکنش جابجایی گاز- آب
فرایند فیشر-تروپش (تولید هیدروکربن‌های سنگین از گاز سنتز)
فرایند فیشر-تروپش (تولید هیدروکربن‌های سنگین از گاز سنتز)
تولید متانول
تولید متانول

مواد نانوساختار و کاتالیزورهای صنعتی

  مواد نانوساختار در حال حاضر به طور گسترده در فرآیندهای مختلف صنعتی کاتالیزوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. نانوکاتالیست‌ها برای مقابله با چالش‌های بزرگی مانند انتقال از منابع فسیلی به منابع تجدیدپذیر انرژی و کشاورزی پایدار طراحی شده اند. پیشرفت گسترده در الکتروکاتالیست‌ها (تبدیل CO2 به مواد شیمیایی مفید) در حال حاضر به یک فرایند تجاری قابل قبول تبدیل شده است.

برای درک بهتر نانوکاتالیست‌ها، به مقاله‌ نانوکاتالیست مراجعه نمائید.

کاتالیست‌ها جزء نخستین کاربردهای نانوفناوری در صنایع بوده‌اند.

کاتالیزورهای ناهمگن معمولاً بسیار پیچیده هستند و عملکرد آن‌ها را می‌توان با عوامل مختلفی مانند ویژگی‌های الکترونیکی، اندازه، مورفولوژی کاتالیزور و تعامل محل‌های فعال با تکیه گاه‌ها تعیین کرد.

استفاده از کاتالیست‌های موثر در محیط زیست و صنایع شیمیایی برای کاهش آلودگی و کاهش هزینه‌ی تولید، امروزه از اهمیت بالایی برخوردار است.

نانوکاتالیست‌ها و مزایای آن‌ها در صنایع شیمیایی

نانوکاتالیست‌ها اغلب در صنایع تجاری و شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. نانوذرات فلزی، نیمه رساناها، اکسیدها و … به طور گسترده در واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شوند. به عنوان مثال اکسید نانوذرات فلزی مخلوط جامد، می‌تواند به عنوان یک کاتالیزور ناهمگن و قابل استفاده مجدد برای تولید آلکیل استرهای اسید چرب استفاده شود.

بطور کلی مزایای نانوکاتالیست‌ها در صنعت عبارت است از کاهش گرمایش زمین، بهینه سازی انرژی، بهبود اقتصاد، تصفیه فاضلاب و پساب‌ها، کاهش ضایعات شیمیایی، تولید کاتالیزورهای ایمن‌تر، افزایش انتخاب پذیری و فعالیت کاتالیزور با کنترل اندازه منافذ، جایگزینی کاتالیزورهای فلزات گرانبها توسط کاتالیزورهای ساخته شده در مقیاس نانو، بهبود واکنش پذیری شیمیایی و کاهش هزینه می‌باشد.

کاتالیزورهای صنعتی در حوزه‌ی نانو و منابع سوختی

نانوکاتالیست‌ها به دلیل دارا بودن سطح فعال و گزینش پذیری بالا، و ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاصی که دارند در صنایع نفت و گاز رشد چشم گیری داشته اند، زیرا باعث افزایش بازده از روند واکنش می‌شوند. از نانوذرات فلزی به عنوان کاتالیزور، برای ارتقاء نفت خام سنگین به سبک استفاده می‌شود.

نانوکاتالیست‌ها در سنتز بیودیزل‌ها به پیشرفت‌های گسترده‌ای دست یافته‌اند. نانوکاتالیست‌های ناهمگن نسبت به کاتالیست‌های همگن عملکرد بسیار بهتری دارند. تولید بیودیزل‌ها از طریق واکنش ترانس استریفیکاسیون در حضور کاتالیست، الکل و اسید‌های چرب انجام می‌شود.

کاتالیزورهای صنعتی در حوزه‌ی نانو و منابع سوختی

با استفاده از نانوذرات اکسید آهن و کبالت بر پایه ی کاتالیست و بارگذاری بر روی مواد فعال سطحی مانند آلومین در مقیاس صنعتی، طی فرایند فیشر، گازهایی مانند مونوکسید کربن و هیدروژن را می‌توان به سوخت‌های هیدروکربنی مایع، تبدیل کرد. همچنین نانوذرات تثبیت شده با ایتریوم باعث افزایش کارایی یک پیل سوختی اکسید جامد می‌شوند. کاتالیزورهای نانو مواد روتنیم/پلاتین به طور بالقوه می‌توانند برای تصفیه و ذخیره هیدروژن استفاده شوند.

برخی از مهم‌ترین کاربرد نانوکاتالیست‌ها در صنایع نفت و گاز

کراکینگ نفت خام، تمیز کردن نفت خام، گوگردزدایی، تولید بیودیزل، تولید اتانول و …

 برخی مزایای مهم نانوکاتالیست‌ها در صنایع نفت و گاز

کاهش انتشار گاز های سمی، دوستدار محیط زیست، کاهش درصد اکتان و گوگرد موجود در سوخت‌های فسیلی، کاهش هزینه‌های بهره‌برداری و استخراج، تبدیل نفت خام سنگین به نفت سبک در دمای پایین و … می‌باشد.

چند نمونه مهم از انواع‌ نانوکاتالیست‌ها در صنایع نفت و گاز

  • نانوکاتالیست پلاتین در فرایند رفرمینگ
  • نانوکاتالیست زئولیت در فرایند کراکینگ نفت سنگین
  • نانو کاتالیست Sio2/Al2o3  در فرایند کاهش ترکیبات اُلِفینی و افزایش عدد اکتان
  • نانوکاتالیست CoMo/Al2o3 و NiMo/Al2o3 در فرایند گوگردزدایی هیدروژنی
  • نانوکاتالیست دهیدروژناسیون در انجام واکنش دهیدروژناسیون مشتقات نفتی

مثال هایی در مورد استفاده از کاتالیزورهای صنعتی بر پایه‌ی نانو

** واکنش جابجایی گاز- آب  (‌WGS)(Water gas shift)در پروسه‌های سوختی، یک مرحله‌ی بسیار مهم برای تولید هیدرروژن محسوب می‌شود. طی این واکنش نسبت H2  به CO افزایش می‌یابد.

CO + H2O ⇌ CO2 + H2

در طی این واکنش، از کاتالیست Cu-Zno-Al2O3 در مقیاس نانو، به عنوان کاتالیست صنعتی، برای واکنش جابجایی آب- گاز استفاده شده است. برای بهبود فعالیت کاتالیست مس، با تغییر فرایند ساخت کاتالیست، کاتالیست‌هایی با فعالیت بالاتر تولید شد.

** برای تولید بیودیزل از روغن‌های زیستی با کاتالیزور ناهمگن، کاتالیزورهایی با کارایی بالا برای واکنش ترانس استریفیکاسیون برای استفاده بیشتر از گلیسرول مورد تحقیق قرار گرفت. محققان از تقطیر کاتالیزوری مبتنی بر CNTs (کربن نانو تیوب‌ها) با سلسله مراتب یکپارچه، در این فرایند استفاده کردند که هم برای تبدیل روغن‌های زیستی به بیودیزل و هم برای تبدیل گلیسرول به مواد شیمیایی با ارزش‌تر عملکرد بالایی ارائه می‌دهد. این روش، با یکپارچه سازی راکتور نانو، دارای مزایای زیادی نسبت به فناوری‌های رایج با استفاده از اسیدهای مایع یا بازها برای کاتالیز کردن واکنش‌ها است که علاوه بر هزینه‌ی بالای جداسازی، گلیسرول به صورت حل نشده باقی می‌ماند.

** تولید مستقیم سوخت‌های مایع از هیدروژناسیون CO2 به دلیل نقش مهم آن در کاهش انتشار CO2، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. استفاده از کاتالیزور بسیار کارآمد، پایدار و چند منظوره‌ی Na-Fe3O4/HZSM-5  در مقیاس نانو، می‌تواند CO2 را مستقیماً به هیدروکربن‌های با محدوده بنزین (C5-C11)، با گزینش پذیری تا 78 % از کل هیدروکربنها تبدیل کند.

این واکنش توسط یک کاتالیزور چند منظوره ارائه می‌شود که سه نوع سایت فعال (Fe3O4 ، Fe5C2 و سایت های اسیدی) ارائه می‌دهد، که به طور مشترک یک واکنش پشت سر هم را کاتالیز می‌کنند. در نتیجه، مجاورت مناسب سه نوع سایت فعال نقش مهمی در تبدیل کاتالیزوری پی در پی و هم افزایی CO2 به بنزین دارد. این کاتالیزور چند منظوره پایداری قابل توجهی را برای 1000 ساعت در جریان نشان می‌دهد. در نتیجه قطعاً می‌تواند یک کاتالیزور صنعتی امیدوار کننده برای استفاده از CO2 در سوخت‌های مایع باشد.


گردآوری، ترجمه و تالیف: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر – نسیم مهین عبدالله زاده

منابع:

به اشتراک بگذارید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.