فهرست مطالب
کاتالیزور
معرفی کاتالیزورها
کاتالیزور (Catalyst) ماده‌ای است که در فرایندهای شیمیایی افزایش سرعت واکنش می‌دهد، بدون اینکه خودش تغییر شیمیایی اساسی پیدا کند. این افزایش سرعت واکنش بهبودی در بازدهی فرآیند و اقتصادی‌تر شدن آن ایجاد می‌کند. کاتالیزورها می‌توانند همگن (در یک فاز) یا ناهمگن (در دو فاز متمایز) باشند.
ویژگی‌های کاتالیزورها
- کاتالیزورها تنها بر سرعت واکنش اثر می‌گذارند و موقعیت تعادل را تغییر نمی‌دهند.
- کاتالیزورها به طور نظری باید بدون تغییر شیمیایی در پایان واکنش بازیابی شوند، حتی اگر فیزیکی‌ترین تغییرات را تجربه کرده باشند.
کاربردهای کاتالیزورها
کاتالیزورها در صنایع مختلف به کار می‌روند. برخی از کاربردهای مهم آنها عبارتند از:
- صنعت نفت و گاز: در فرایندهای کراکینگ و رفرمینگ به کار می‌روند تا محصولات پالایشگاهی بهبود یابند.
- واحدهای پتروشیمی: برای تولید مواد اولیه پلیمرها و محصولات شیمیایی دیگر.
- مبدل‌های کاتالیزوری اتومبیل: در انتشار گازهای مضر از خودروها مؤثر هستند.
- فرایندهای تصفیه آب و هوا: برای حذف آلاینده‌ها و تصفیه آب و هوا به کار می‌روند.
مکانیسم واکنش‌های کاتالیزوری
کاتالیزورها واکنش‌های شیمیایی را تسریع می‌دهند، اما در واقعیت نقش آنها به محدود کردن مراحل کند واکنشی که از نظر ترمودینامیکی ممکن است باشد، محدود نمی‌شود.
ویژگی‌های یک کاتالیزور خوب
- فعالیت بالایی داشته باشد.
- سطح بالایی داشته باشد.
- گرمای جذب سطحی مناسب باشد.
- مقاومت مکانیکی مناسب داشته باشد.
- پودر نشود و ساییده نشود.
- تغییر آرایش ندهد.
- عملکرد در دماهای عملیاتی مناسب داشته باشد.
- خاصیت گزینش پذیری داشته باشد.
- تولید محصولات جانبی کم داشته باشد.
- عمر مفید بالایی داشته باشد.
غیرفعال شدن کاتالیزور
کاتالیزورها دارای عمر مفیدی هستند و به مرور زمان ممکن است از فعالیت خود از دست بدهند. این مسئله ممکن است به دلیل تشکیل لایه‌های ناخالصی روی سطح کاتالیزور، تغییر در ساختار بلوری آن، یا جذب ناخالصی‌ها در نقاط فعالیت باشد.
مبدل‌های کاتالیستی در خودروها
سازندگان خودرو به منظور رعایت مقررات زیست محیطی و کاهش آلاینده‌ها، روش‌های متفاوتی برای جلوگیری از تولید و انتشار آلاینده‌ها و سیستم‌های متنوعی برای سوخت‌رسانی خودروها ابداع کرده‌اند. یکی از وسایل جالب در این راستا، مبدل کاتالیستی است که به خروجی اگزوز خودرو نصب می‌شود و با تبدیل گازهای سمی حاصل از احتراق به گازهای بی‌ضرر، از آلودگی هوا جلوگیری می‌کند.
اجزای مبدل کاتالیستی
بستر کاتالیست
در مبدل‌های کاتالیستی مخصوص خودروها، از بستر‌های سرامیکی مونولیتی با ساختار لانه زنبوری استفاده می‌شود.
لایه اکسیدی
لایه اکسیدی به عنوان نگهدارنده ماده کاتالیست استفاده می‌شود که سطح مخصوص کاتالیست را افزایش می‌دهد. این لایه معمولاً از جنس اکسید آلومینیوم (Al₂O₃)، دی اکسید تیتانیوم (TiO₂)، دی اکسید سیلیکون (SiO₂) یا ترکیبی از سیلیکا و آلومینا انتخاب می‌شود.
ماده کاتالیست
ماده کاتالیست در واقع ماده اصلی مبدل کاتالیستی است که معمولاً از خانواده فلزات گران‌قیمت نظیر پالادیوم، رادیوم، پلاتین، طلا و کادمیوم انتخاب می‌شود. اما از نظر مقرون به صرفه بودن، عموماً از پالادیوم و رادیوم استفاده می‌شود.
واکنش‌های شیمیایی در مبدل کاتالیستی
مبدل‌های کاتالیستی واکنش‌های شیمیایی خاصی را انجام می‌دهند که منجر به تبدیل محصولات احتراق به گازهای غیرسمی می‌شوند. به عنوان مثال، مبدل کاتالیستی در خودروهای گازوئیلی واکنش‌های اکسیداسیون انجام می‌دهد. در این واکنش‌ها، مونو اکسید کربن، مشتقات اکسید نیتروژن و کربوهیدرات‌های حاصل از احتراق ناقص سوخت، به دی اکسید کربن، نیتروژن و آب تبدیل می‌شوند.
استفاده از مبدل کاتالیستی
مبدل‌های کاتالیستی بیشترین کاربرد را در خودروها دارند، اما در ژنراتورها، لوکوموتیوها و هواپیما‌ها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. این وسیله در واقع به منظور پیروی از مقررات دولتی و زیست محیطی برای رعایت حداکثر میزان آلایندگی خودروها ابداع شده است.
واکنش‌های ناخواسته
در مبدل‌های کاتالیستی، علاوه بر واکنش‌های اصلی که منجر به تولید محصولات غیرسمی می‌شوند، واکنش‌های ناخواسته‌ای نیز صورت می‌گیرند که ممکن است مقادیر بسیار کمی از محصولات سمی نظیر سولفید هیدروژن (H₂S) و آمونیاک (NH₃) را تولید کنند. این نوع واکنش‌ها معمولاً در مبدل‌های کاتالیستی مبتنی بر واکنش‌های سه مرحله‌ای بروز می‌یابند. اگرچه حذف چنین واکنش‌هایی به طور کامل امکان‌پذیر نیست، با اعمال تغییرات در ماهیت ماده کاتالیست و لایه اکسیدی می‌توان از بروز این واکنش‌ها تا حد امکان جلوگیری کرد.
