催化转化

元素，称为稀土元素(Rare Earth)。简称稀土(RE
或R)。
• 贵金属催化剂：活性高，选择性较小，不易中毒，但资源 少，成本高 • 非金属催化剂：活性较低，有一定的选择性，资源丰富，
成本低，但易中毒，热稳定性较差。
• 全金属催化剂：以镍、镍铬合金为载体做成带、片、丸、 丝等形状，再把铂、钯“化学镀”或“电镀”在载体上制 成化床构件。 • 氧化铝为载体的催化剂：以陶瓷作为支架，在其上涂上一
指金、银和铂族金属（钌、铑、钯、锇、铱、铂）等8种金属元素。
• 一般来说，贵金属催化剂的活性较高，选择性高，不易中毒， 但资源少、价格昂贵。 • 非贵金属催化剂的活性较低，有一定的选择性，价格便宜， 但易中毒，且中毒通常都是永久性中毒（即无法复活），热
稳定性也差。
• 在大气污染控制中，目前使用较多的是铂、钯等贵金属；其 次是含有锰、铜、铬、镍等金属氧化物，以及稀土等的非金
催化剂的性能
• 固体催化剂的性能，主要是指它的活性、选择性
和稳定性，这些是衡量催化剂质量的最直观、最 有现实意义的参量，称之为三大指标。
催化剂的性能
1、催化剂的活性
• 催化剂活性是衡量催化剂加速化学反应速率效能大小的标 准。 • 工业上通常以单位体积(或重量)催化剂在一 定条件下（温度、 压力、空速和反应物浓度），单位时间内所得到的产品数量 来表示。
V2O5含量6%~12%
性组分和助催化剂负载于一些具有大面积的惰性物质（载体）
• 助催化剂和活性组分都附于载体上，制成球状、柱状、网状、
片状、蜂窝状等。
（二）催化剂
（3）助催化剂
• 助催化剂单独存在时并没有活性，但它的少量加入，
却能明显提高活性组分的催化性能，同时也可以提
高活性组分对反应的催化选择性或提高活性组分的
稳定性。
• 在一个新型催化剂投入工业生产之前，给出的催化
剂性能中，通常要列出毒物名称及在原料中的最高
允许量，要求严格的降低至百万分之几，甚至十亿 分之几。
催化剂的选择
• 对催化剂的要求是：具有极高的净化效率，使用过程中不产 生二次污染；具有较高的机械强度；具有较好的耐热性和热 稳定性；抗毒性强，具有尽可能长的寿命；化学稳定性好、 选择性好。
物而是催化剂恢复活性，因此催化剂使用要尽量避免中毒。
• 催化剂中毒的原因是由于活性表面被破坏或其活性
中心被其他物质所占据，导致催化剂的活性和选择 性迅速下降。 • 对于不同类型的反应和不同催化剂来说，毒物可能 不同，但对于大多数催化反应来说，HCN、CO、
H2S、As、S、Hg、Pb等都是较强的毒物。
• 反应速率是随活化能的降低而呈指数增大的。实验 表明，催化剂加速反应速率是通过降低活化能来实
现的。
催化作用有两个重要的特征：
1. 催化剂只能加速化学反应的速率，缩短到达平衡的时间，而不能使 平衡移动，也不能使热力学上不可能发生的反应发生。同时，也不 能改变反应热的大小。
2.
催化作用有特殊的选择性：一种催化剂在不同的化学反应中表现出
– 如：0.16%的As可使铂的活性降低50%； – 又如：0.01%的HCN可使镍的活性完全丧失。
• 因此在选择催化剂时，除考虑催化剂的活性、选择 性、热稳定性和一定的机械强度之外，还应尽量使 其具有广泛的抗毒性能。
• 例如合成氨中用的铁系催化剂，水和氧是毒物， 当这种中毒现象发生时，可以用还原或加热的方 法，使催化剂重新活化，这种中毒是暂时性中毒， 或称可逆中毒；
– 能加快反应速率的催化作用称为正催化；
– 减慢反应速率的称为负催化。
– 反应物和催化剂同为一相的称为均相催化；
– 反应物和催化剂为不同相时称为多相催化。
• 在大气污染控制中，仅利用多相正催化作用，化学反应为催 化氧化 和 催化还原。
能否举例？
• 一个催化过程可作如下的简化描述。设有下列化学反应：

由此可以看出，催化剂的选择性直接影响反应产物的品种及产量， 在生产中催化剂的选择性意义重大。
（二）催化剂
•由于催化作用一般发生在主活性物质表
（1）主活性物质
面20~30mm的厚度内，因而主活性物质 一般附着在惰性载体上。
（2）载体
载体的作用： ① 提供大的比表面积，节约主活性物质，提高 催化剂的活性。 ② 增大催化剂的机械强度、改善其导热性及热
明显不同的活性；而对相同的反应物，选择不同的催化剂就可以得 到不同的产物。当化学反应在热力学上有几个反应方向时，一种催 化剂在一定条件下只对其中的一个反应方向起加速作用。例如： 在氨选择性还原NOX的过程中，铜铬催化剂只能加速氨和NOX的 反应，相对地抑制了氨和氧的反应，从而避免了不必要的氨耗。 甲酸以氧化锌作催化剂能分解为H2和CO2，而以氧化钛作催化剂 则分解成CO和H2O。
W A tWR
式中：A ----------催化剂的活性kg产品/（h.催化剂g） W --------产品质量。Kg WR -------催化剂质量，g T -------反应时间，h
• 在工业上，常把产品量换算成转化率X表示 X = 反应物反应了的摩尔数 / 通过催化剂床层的反应物摩尔数
催化剂的性能
① 碳氢化合物转化为二氧化碳和水 ② 氮氧化物转化成氮气 ③ 二氧化硫转化成三氧化硫而加以回收利用 ④ 有机废气和臭气的催化燃烧 ⑤ 以及汽车尾气的催化净化等
•
缺点：催化剂价格较高，废气预热要消耗一定的
能量。
为什么需要预热？
• 每一种催化剂都有它的活性温度范围，
低于活性温度下限的，反应速度很慢，或不起催化作 用，因为催化剂化学吸附气体分子需要相当的能量。 高于活性温度范围上限，催化剂会很快老化或丧失活 性，甚至被烧毁。
• 而硫或磷的化合物对于这个催化剂和这个反应也
是毒物，当由它们引起中毒时，催化剂就很难重
新活化，这是永久性中毒，或称不可逆中毒。
– 后面一种中毒（不可逆中毒），是可以防止的。
• 为了避免催化剂中毒，应了解反应物原料中哪些是 该反应所用催化剂的毒物及致毒剂量。如果原料气
中混有毒物，就应将原料气净化处理以去除毒物。
• 废气预热是为了使废气温度在催化剂活性温度范
围之内，使催化反应有一定的速度，否则废气温
度低反应速度慢，达不到预期的处理效果。
如选择性催化还原法去除NOx，废气的预热温度须达 到200~220℃以上。
一、催化作用和催化剂
（一）催化作用
（二）催化剂
（一）催化作用Leabharlann Baidu
• 催化作用：化学反应速率因加入某种物质而改变，而加入物 质的数量和性质在反应终了时却不变的作用称为催化作用。 • 加入的物质称为催化剂。（也称为触媒）
Ni 常压，523K
CH4 CH3OH
Cu或ZnO+Cr2O3 （1.47~2.98）×104kPa，573~673K Fe，Co，Ni / 硅藻土 （0.98~2.94）×104kPa，433~603K Cu催化剂中加碱 （2.94~3.92）×104kPa，673~723K
CO+H2
合成汽油
高级醇
层0.13mm的氧化铝薄层，再把钯、铯金属以微晶状态沉
积或分散在多孔的氧化铝薄层中。
表7-4 净化气态污染物常用的几种催化剂的组成
用途 有色冶炼烟气制酸、硫 酸厂尾气回收制酸等。 SO2→SO3 硝酸生产及化工等工业 尾气NOx→N2 碳氢化合物的净化 CO+CmHn→CO2+H2O Pt、Pd含量0.5% Al2O3 — SiO2 主活性物质 SiO2 载体
Ru （0.98~1.97）×104kPa，973K
高级固态烷烃
• 由此可知，利用催化剂的选择性可以使化学反应朝着人们
期望的方向进行，从而抑制某些不需要的反应。
• 催化剂的选择性与活性是有关联又相互独立的，
二者均可分别度量催化剂加速化学反应的两种不
同效果。
活性是催化剂对提高产品产量的作用 而选择性则表示催化剂对提高原料利用率的作用。
A B AB • 当受催化剂的作用时，至少有一个中间反应发生，而催
化剂是中间反应物之一，表示为：
A A • 最终仍得到反应产物AB，催化剂则恢复到初始的化学
状态：
A B AB • 显然，催化剂诱发了原反应所没有的中间反应，使化学
反应沿着新的途径进行。反应历程的改变又是怎样加速
稳定性，延长催化剂的寿命，
（3）助催化剂
•助催化剂本身无催化性能，但是它的 少量加入可以改善催化剂性能。
（二）催化剂
（1）主活性物质（活性组分）
• 主活性物质是催化剂中能加快化学反应速度的主要组分。
是催化剂的核心，能单独对化学反应起催化作用，因而可
作为催化剂单独使用。 • 有的只含一种活性组分，有的含两种以上的活性组分，缺
少一种，就不能完成规定的催化反应，此种催化剂称为混
合催化剂或多功能催化剂。 • 为了提高活性组分的利用率，通常将活性组分采用特殊的 加工方法分布在载体表面，制成负载型催化剂。
– 可见，活性组分在整个催化剂中所占比例是很小的，有的只占有 千分之几。
（二）催化剂
（2）载体
• 催化剂表面仅在20~30nm处真正起作用，因此工业上常把活 表面上。 • 用以承载主活性物质和助催化剂，它的基本作用在于提供大 的比表面以节约主活性物质，并改善催化剂的传热、抗热冲 击和机械冲击等物理性能。 • 常用的载体材料有：硅藻土、硅胶、活性炭、分子筛以及某 些金属氧化物，如氧化铝、氧化镁等。
整个反应过程的呢？
• 众所周知，任何化学反应的进行都需要一定的活化 能，而活化能的大小直接影响到反应速率的快慢， 它们之间的关系可用阿累尼乌斯方程表示：
k f exp( E ) RT
（7-57）
式中：k ------反应速率常数，单位随反应级数而不同 f ------频率因子，单位与k相同 E ------活化能，KJ/mol R ------气体常数，KJ/（k.mol） T ------反应温度，K
2、催化剂的选择性
• 当化学反应在热力学上有几个反应方向时，某一
种催化剂在一定条件下只能加速某一特定反应，
而不能加速所有的反应，这种性质称为催化剂的
选择性。
• 催化剂的这种性能，在工业上具有特别重要的意 义，使人们可以有选择性地得到所需要的产品。 例如用CO和H2的反应，就可以利用不同的催化 剂在不同条件下得到不同的产品。
第七章 气态污染物控制
第三节 催化净化
•
催化转化：使气态污染物通过催化剂床层，
经历催化反应，转化为无害物质或易于处理
和回收利用的物质。
• 与其它净化方法的区别：
① 无需使污染物与主气流分离，避免了其它方法可
能产生的二次污染，又使操作过程得到简化。
② 对于不同浓度的污染物都具有很高的转化率。
•
应用：
如SO2 催化氧化所用的V2O5---- K2O催化剂，K2O的存在， 可以大大提高V2O5的催化活性。
• 助催化剂一般含量较低，含量过多催化剂活性反而
下降。
• 有些催化剂也可以不含助催化剂。
• 以上是固体催化剂中的三种主要成分，除此之外， 在工业催化剂中有时还要加入另外作用的某些成
分，如黏合剂、导热剂、造孔剂等。
面：
老化：是指催化剂在正常工作条件下逐渐失去活性的过程。 一般来说，工作温度越高，老化速度就越快。 中毒：是指反应物料中少量的杂质使催化剂活性迅速下降
的现象。致使催化剂中毒的物质称为催化剂的毒物。
• 催化剂中毒的化学本质是由于活性组分与毒物有更强的亲 和力所致。 根据亲和力的强弱可分为暂时性中毒和永久性中毒。 • 对于暂时性中毒来说，由于毒物亲和力较弱，通入水蒸气 可驱出毒物，可使催化剂再生，恢复活性，但恢复不到中 毒前活性水平。 • 对于永久性中毒来说，由于毒物亲和力较强，不能驱出毒
• 活性与选择性是催化剂本身最基本的性能指标， 是选择和控制反应参数的基本依据。
催化剂的性能
3、催化剂的稳定性
• • 催化剂在化学反应过程中保持活性的能力称为催化剂 的稳定性。 稳定性包括热稳定性、机械稳定性和抗毒性，通常用 使用寿命来表示催化剂的稳定性。
•
① ②
影响催化剂寿命的因素很多，归纳起来主要有两个方
属催化剂。
• 稀土就是化学元素周期表中镧系元素——镧(La)、 铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕 (Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、
铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的15个元
素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种