浸渍法制备催化剂

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在干燥过程中会发生迁移，造成活性组分的不均匀分布。这时由于在缓慢干燥过程中，热量 从颗粒外部传递到其内部， 颗粒外部总是先达到液体的蒸发温度， 因而孔口部分先蒸发使一 部分溶质析出， 由于毛细管上升现象， 含有活性组分的溶液不断地从毛细管内部上升到孔口， 并随溶剂的蒸发溶质不断地析出，活性组分就会向表层集中，留在孔内的活性组分减少。因 此，为了减少干燥过程中溶质的迁移，常采用快速干燥法，使溶质迅速析出。有时也可采用 稀溶液多次浸渍法来改善。 （2）负载型催化剂的焙烧与活化负载型催化剂中的活性组分（例如金属）是以高度分 散的形式存在于高熔点的载体上， 对于这类催化剂在焙烧过程中活性组分表面积会发生变化， 一般是由于金属晶粒大小的变化导致活性表面积的变化。 在实际使用中，为了抑制活性组分的烧结，可以加入耐高温作用的稳定剂起间隔作用， 以防止容易烧结的微晶相互接触， 从而抑制烧结。 易烧结物在烧结后的平均结晶粒度与加入 稳定剂的量及其晶粒大小有关。在金属负载型催化剂中，载体实际上也起着间隔的作用。 对于负载型催化剂， 除了焙烧可影响金属粒径大小外， 还原条件对金属的分散度也有影 响。为了得到高活性金属催化剂，希望在还原后得到高分散度的金属微晶。按结晶学原理， 在还原过程中增大晶核生成的速率，有利于生成高分散的金属微晶；而提高还原速率，特别 是还原初期的速率，可以增大晶核的生成速率。 （3） 互溶与固相反应在热处理过程中活性组分和载体之间可能生成固体溶液 （固溶体） 或化合物，可以根据需要采用不同的操作条件，促使它们生成或避免它们生成。 活性组分与载体之间发生固相反应也是可能的， 与前述生成固溶体一样， 当金属氧化物 与作为分散剂（载体）的耐高温氧化物发生固相反应后，而金属氧化物在最后的还原阶段又 能被还原成金属时，由于金属与载体形成最紧密的混合，阻止了金属微晶的烧结，使催化剂 具有高活性和长寿命。 如果活性金属氧化物与载体生成的化合物不能被还原时， 则化合物中 这部分金属含量就无催化效能而被浪费。 在催化剂制备热处理过程中， 有意识地利用互溶或 固相反应，对催化剂进行调整，有可能改变或提高催化剂的性能。
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结果与讨论
3.1 数据处理 3.1.1 载体吸附能力试验 载体序号 1 2 3 载体质量/g 1.0016 1.0057 1.0015 吸附体积 v/mL 0.81 0.82 0.80 吸附能力/mL· g-1 0.80 0.81 0.80
平均吸附能力为 0.80 mL· g-1. 3.1.2 计算所需 PdCl2 的量 由
2
2.1
实验部分
试剂及仪器 电子天平、胶头滴管、10mL 量筒、移液管、蒸发皿、马弗炉、烘箱、玻璃棒； PdCl2 溶液(Pd2+浓度 9.6mg/mL)，蒸馏水，γ-Al2O3 载体。
2.2 实验过程 2.2.1 载体的干燥及吸附溶液能力试验 称取 5g Al2O3 载体，放入干燥箱 120 ℃干燥 0.5 h。 将干燥好的载体称取三份，每份 1.0 g，逐步滴加蒸馏水，使载体正好吸附饱和，记录 加入量 v1、v2 和 v3 mL，计算得平均值 v=0.80mL. 2.2.2 计算所需 PdCl2 的量 实验室用 Pd2+浓度为 9.6mg/mL 的 PdCl2 溶液， 载体为 1g， 制备 0.5% Pd/γ-Al2O3 催化剂， 计算得所需 PdCl2 体积为 v4=0.521mL. 2.2.3 浸渍 再称取 1.0 g 的 Al2O3 载体， 移取 0.521mL PdCl2 溶液和 0.279mL(即 v-v4)的蒸馏水混合
均匀，将该溶液一次倒入已称好的 Al2O3 载体上，并不断搅拌，载体正好被完全浸渍，放 置 0.5 h. 2.2.4 干燥，焙烧，还原 将上述催化剂放入干燥箱 80 ℃干燥 1h， 120 ℃干燥 2.5h， 然后置于马弗炉中以 10 ℃/min 升温至 480 ℃，焙烧 2h.打开马弗炉，自然冷却，取出称重得 0.9463g.
配，最后活性组分就均匀分布在孔的内壁上。图 1（c）是让过多的浸渍液留在孔外，载体 颗粒外面的溶液中的活性组分，通过扩散不断补充到孔中，直到达到平衡为止，这时吸附量 将更多，而且在孔内呈均一分布。图 1（d）表明，当活性组分浓度低，如果在到达均匀分 布前，颗粒外面溶液中的活性组分已耗尽，则活性组分的分布仍可能是不均匀的。 对于贵金属负载型催化剂，由于贵金属含量低，要在大表面积上得到均匀分布，常在浸 渍液中除活性组分外， 再加入适量的第二组分， 载体在吸附活性组分的同时必吸附第二组分， 新加入的第二组分就称为竞争吸附剂，这种作用叫做竞争吸附。由于竞争吸附剂的参与，载 体表面一部分被竞争吸附剂所占据， 另一部分吸附了活性组分， 这就使少量的活性组分不只 是分布在颗粒的外部，也能渗透到颗粒的内部，竞争吸附剂加入适量，可使活性组分达到均 匀分布。常使用的竞争吸附剂有盐酸，硝酸，三氯乙酸，乙酸等。 此外，并不是所有的催化剂都要求孔内外均匀的负载。粒状载体，活性组分在载体可以 形成各种不同的分布 。以球形催化剂为例，有均匀，蛋壳，蛋黄和蛋白型等四种。 四种类型中， 蛋白型及蛋黄型都属于埋藏型可视为一种类型， 所以实际上看作只存在三 种不同类型。究竟选择何种类型，主要取决于催化反应的宏观动力学。当催化反应由外扩散 控制时，应以蛋壳型为宜，因为在这种情况下处于孔内部深处的活性组分对反应已无效用， 这对于节省活性组分量特别是贵金属更有意义 。当催化反应由动力学控制时，则以均匀型 为好，因为这时催化剂的内表面可以利用，而一定量的活性组分分布在较大面积上，可以得 到高的分散度，增加了催化剂的热稳定性。当介质中含有毒物，而载体又能吸附毒物时，这 时催化剂外层载体起到对毒物的过滤作用， 为了延长催化剂的寿命， 则应活性组分在载体上 的不同分布选择蛋白型 ，由于在这种情况下，活性组分处于外表层下呈埋藏型的分布，既 可减少活性组分的中毒，又可减少由于摩损而引起活性组分的剥落 。 1.3 各种浸渍法 （1）过量溶液浸渍法 将载体泡入过量的浸渍溶液中，待吸附平衡后滤去过剩溶液，干燥，活化后便得催化剂 成品。这种方法常用于已成型的大颗粒载体的浸渍，或用于多组分的分段浸渍，浸渍时要注 意选用适当的液固比，通常是借助调节浸渍液的浓度和体积控制吸附量。 （2）等体积浸渍法 预先测定载体吸入溶液的能力， 然后加入正好使载体完全浸渍所需的溶液量， 这种方法 称为等体积浸渍法。 应用这种方法可以省去过滤多余的浸渍溶液的步骤， 而且便于控制催化 剂中活性组分的含量。 （3）多次浸渍法 将浸渍，干燥，焙烧反复进行数次。采用这种方法有两种情况：第一，浸渍化合物的溶 解度小， 一次浸渍不能得到足够大的吸附量， 需要重复浸渍多次。 第二， 多组分溶液浸渍时， 由于各分组的吸附能力不同， 常使吸附能力强的活性组分浓集于孔口， 而吸附能力弱的组分 则分布在孔内，造成分布不均，改进方法之一就是用多次浸渍，将各组分按顺序先后浸渍。 （4）蒸气浸渍法 借助浸渍化合物的挥发性以蒸气相的形式将它负载于载体上。 1.4 浸渍颗粒的热处理过程 （1）干燥过程中活性组分的迁移用浸渍法制备催化剂时，毛细管中浸渍液所含的溶质
[3] [2]
剂的吸附性能有很大的关系。 Maatman 等曾提出活性组分在孔内吸附的动态平衡过程模型 ，如图 1 所示。图中列 举了可能出现的四种情况，为了简化起见，用一个孔内分布情况来说明。
[4]
(a) 孔刚刚充满溶液时
(b) 孔充满了溶液后与外面的溶 液隔离并待其达到平衡时
(c) 在过量浸渍液中达到平衡时
** 大 学 综 合 化 学 实 验 报 告
实 验 名 称 浸渍法制备 Pd/γ-Al2O3 催化剂
学
院
学生姓名 专 学 年 业 号 级
指导教师
二〇一二年
月
日
浸渍法制备 Pd/γ-Al2O3 催化剂
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（**** ******，** **(邮编)） 摘 要： 催化剂是催化工艺的灵魂，它决定着催化工艺的水平及其创新程度.浸渍法是制备催化剂的
(d) 达到平衡前外面的溶液中溶 质已耗尽的情况
图 1 活性组分在孔内吸附的情况 浸渍时， 如果活性组分在孔内的吸附速率快于它在孔内的扩散， 则溶液在孔中向前渗透 过程中，活性组分就被孔壁吸附，渗透至孔内部的液体就完全不含活性组分，这时活性组分 主要吸附在孔口近处的孔壁上，见图 1（a）。如果分离出过多的浸渍液，并立即快速干燥， 则活性组分只负载在颗粒孔口与颗粒外表面，分布显然是不均匀的。图 1（b）是达到（a） 的状态后，马上分离出过多的浸渍液，但不立即进行干燥，而是静置一段时间，这时孔中仍 充满液体，如果被吸附的活性组分，能以适当的速率进行解吸，则由于活性组分从孔壁上解 吸下来， 增大了孔中液体的浓度， 活性组分从浓度较大的孔的前端扩散到浓度较小的末端液 体中去，使末端的孔壁上也能吸附上活性组分，这样活性组分通过脱附和扩散，而实现再分
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一种方法， 将载体浸泡在含有活性组分的可溶性化合物溶液中， 经干燥， 焙烧和活化， 即得催化剂 。 本实验用等体积浸渍法制备了 Pd/γ-Al2O3 催化剂。
关键词：等体积;浸渍法;Pd/γ-Al2O3 催化剂
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引言
催化剂是催化工艺的灵魂，它决定着催化工艺的水平及其创新程度。因此，研究工业催
化剂的制备方法具有重要的实际意义。 固体催化剂的制备方法很多。由于制备方法的不同，尽管原料和用量完全一样，但所制 得的催化剂的性能仍可能有很大的差异。 因为工业催化剂的制备过程比较复杂， 许多微观因 素较难控制，目前的科学水平还不足以说明催化剂的奥秘；另外，催化剂生产的技术高度保 密，影响了制备理论的发展，使制备方法在一定程度上还处于半经验的探索阶段。随着生产 实践经验的逐渐总结，再配合基础理论研究，现在催化剂制备中的盲目性大大地减少了。目 前，工业上使用的固体催化剂的制备方法有：沉淀法，浸渍法，机械混合法，离子交换法， 熔融等 。 本实验采用浸渍法。 1.1 载体的选择和浸渍液的配制 浸渍催化剂的物理性能很大程度上取决于载体的物理性质， 载体甚至还影响到催化剂的 化学活性。 因此正确的选择载体和对载体进行必要的预处理， 是采用浸渍法制备催化剂时首 先要考虑的问题。载体种类繁多，作用各异，有关载体的选择要从物理因素和化学因素两方 面考虑。物理因素指的是颗粒大小，表面积和孔结构。通常采用已成型好的具有一定尺寸和 外形的载体进行浸渍，省去催化剂的成型。化学因素指的是载体可分为三种情况：(ⅰ)惰性 载体，载体的作用是使活性组份得到适当的分布；(ⅱ)载体与活性组份有相互作用，它使活 性组分有良好的分散并趋于稳定，从而改变催化剂的性能；(ⅲ)载体具有催化作用，载体除 有负载活性组分的功能外，还与所负载的活性组分一起发挥自身的催化作用 。 进行浸渍时， 通常并不是用活性组分本身制成溶液， 而是用活性组分金属的易溶盐配成 溶液。 所用的活性组份化合物应该是易溶于水(或其它溶剂)的， 且在焙烧时能分解成所需的 活性组分，或在还原后变成金属活性组分；同时还必须使无用组分，特别是对催化剂有毒的 物质在热分解或还原过程中挥发除去。因此最常用的是硝酸盐，铵盐，有机酸盐(乙酸盐， 乳酸盐等)。一般以去离子水为溶剂，但当载体能溶于水或活性组份不容于水时，则可用醇 或烃作为溶剂。 1.2 活性组分在载体上的分布与控制 浸渍时溶解在溶剂中含活性组分的盐类（溶质）在载体表面的分布，与载体2O3