خنثی سازی گازهای سمی با "کاتالیست‌"

به گزارش خبرنگار اقتصادی باشگاه خبرنگاران، اساسآ کاتاليزور به عنوان يک ترکيب شيميايي در نظر گرفته مي شود که قادر به اعمال اثر تسريع کنندگي و اثر جهت دهندگي بر پيشرفت واکنشي باشد که از نظر ترموديناميکي امکان پذير است. هنگامي که کاتاليزور به صورت محلول در محيط واکنشي است "کاتاليزور همگن" و وقتي که کاتاليزور فازي مجزا از فاز واکنش تشکيل ميدهد "کاتاليزور ناهمگن" ناميده مي شود.

در اکثر موارد کاتاليزور ناهمگن، کاتاليزور جامدي است که از تماس با آن واکنش گرهاي گازي يا مايع، متحول مي شوند و در نتيجه خيلي اوقات عبارت "کاتاليست" براي ناميدن کاتاليزور ناهمگن به کار مي رود . 

كاتاليست (Catalyst) ماده اي است كه مي تواند منجر به تغيير نرخ (سرعت) يك واكنش شيميايي شود، بدون آنكه خود در واكنش مصرف شود.  بصورت تئوري دو نوع كاتاليست وجود دارد: گاتاليست مثبت كه منجر به افزايش نرخ واكنش مي شود و كاتالبست منفي كه منجر به كاهش نرخ واكنش مي شود. در صنعت همواره منظور از كاتاليست، كاتاليست مثبت است و كاتاليست منفي مهار كننده (inhibitor) ناميده مي شود. 

وجود كاتاليست باعث امكانپذير شدن واكنش هاي جايگزين براي توليد محصول فرايند شيميايي مي شود كه انرژي فعال سازي كمتري نسبت به واكنش بدون كاتاليست دارند بنابراين نرخ واكنش افزايش مي يابد.  كاتاليست در حين واكنش شيميايي دچار تغيير فاز شيميايي مي شود اما در نهايت بازتوليد شده و به شكل اوليه بر مي گردد. 

کاتالیست تا ۹۰٪ گازهای سمی را بی‌اثر می‌کند به‌گونه‌ای که هیدروکربن‌های نسوخته که از موتور خارج می‌شوند را به آب و دی اکسید کربن تبدیل می‌کند. علاوه بر این اکسید ازت را به گاز ازت تبدیل می‌کند بنابراین کاتالیست در کاهش آلودگی هوا بسیار موثر است. طول عمر مفید کاتالیست ۵۰۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ کیلومتر است. مبدل‌های کاتالیست که هم اکنون بر روی خودروهای تولیدی در ایران نصب می‌شود تا میزان آلایندگی آنها را کاهش دهد پس از ۸۰۰۰۰ کیلومتر پر شده و عملاً کارایی خود را از دست می‌دهد و میزان آلایندگی خودرو تا پنج برابر افزایش می‌یابد. متوسط عمر کاتالیست چیزی حدود ۴ سال است و پس از مدت زمان یاد شده باید قطعه مورد نظر تعویض شود.

در ایران، بود یا نبود کنیستر و کاتالیست‌ها در معاینه فنی خودروها سنجیده نمی‌شود و اگر در آن زمان هم مورد بررسی قرار بگیرد، نمی‌توان این قطعات را روی آن نصب کرد. شرکت‌های خودروسازی در ایران از سال ۱۳۸۲ نصب کاتالیست را در خودروهای داخلی آغاز کردند و قبل از این تاریخ خودروها فاقد استاندارد بوده‌اند و به همین دلیل آلایندگی این خودروها بیش از ۳۰ برابر سایر خودروها است و براین اساس خروج خودروهای مدل ۱۳۸۲ به پایین در سازمان حفاظت از محیط زیست ارائه شده است. احتمال می‌رود در تعدادی از خودروهای تولیدی سه ماهه آخر سال ۱۳۸۶ نیز قطعه کاتالیست نصب نشده باشد.

به موجب طرح جامع کاهش آلودگی هوا «آزمون صحت کاتالیست کانورتور و کربن کنیستر در معاینات فنی خودروها به منظور صدور برگه و برچسب معاینه فنی از ابتدای سال ۹۱ اجباری است»

** انواع کاتالیست ها 

کاتالیست ها به دو دسته ی متفاوت زیر تقسیم می شوند:
    • کاتالیست های همگن: اگر کاتالیست در فاز مشابه با فاز واکنش دهنده ها قرار داشته باشد، کاتالیست همگن نامیده می شود.

    • کاتالیست های غیرهمگن: اگر کاتالیست در فازی متفاوت با فاز واکنش دهنده ها باشد، کاتالیست غیرهمگن نامیده می شود.

انواع مواد جامدی که به عنوان کاتالیست استفاده می شوند:
انواع مختلفی از مواد جامد در کاتالیست های غیرهمگن مورد استفاده قرار می گیرد؛ مانند:  فلزات، اکسیدهای فلزی، سولفیدهای فلزی و غیره. این مواد ممکن است به شکل خالص یا ترکیبی مورد استفاده قرار گیرند. علاوه بر این، این مواد ممکن است بلوری، میکروبلوری یا آمورف باشند. این کاتالیست ها در یک حالت ساییده شده و پودری مورد استفاده قرار می گیرند تا مساحت سطح بزرگ تری در واکنش ها داشته باشند.

**پژوهشکده کاتالیست و نانو فناوری

این مجموعه در سال 1348 تحت عنوان واحد كاتالیست فعالیت تحقیقاتی، مشاوره ای و خدماتی خود را در پژوهشگاه صنعت نفت شروع كرد و با توسعه ساختاری در سال 1381 فعالیت خود را با عنوان مركز تحقیقات كاتالیست ادامه داد. با توجه به لزوم تحقیق در مرزهای دانش و توسعه كاتالیست ها و جاذب ها با ساختارهای نانو، ارتباط تنگاتنگ با مركز تحقیقات نانو كه فعالیت های شاخصی در این زمینه ها داشته، احساس گردید. در همین راستا در سال 1390 با تجدید ساختار در پژوهشگاه صنعت نفت، پژوهشكده جدید كاتالیست و نانوفناوری به منظور هم افزایی فعالیت های دو مجموعه تاسیس گردید. در حال حاضر فعالیت های این پژوهشكده در چهار گروه پژوهشی، ساخت كاتالیست در مقیاس آزمایشگاهی و نیمه صنعتی، شناسایی و بررسی های راكتوری كاتالیست، مهندسی واكنشهای كاتالیستی و نیز گروه پژوهشی توسعه فناوری های نانو و كربن انجام می گیرد. عمده اهداف و فعالیت های پژوهشكده در راستای توسعه دانش فنی كاتالیست ها و جاذب های پر مصرف، رفع مشكلات گلوگاهی و ارائه خدمات علمی و مشاوره ای به شركت های پالایش، پتروشیمی، گاز و سایر صنایع مرتبط در كشور می باشد.

اين پژوهشده از گروه های پژوهشی شناسایی و ارزیابی كاتالیست، ساخت كاتالیست، توسعه فناوری نانو و كربن و مهندسی واكنش‌های كاتالیستی تشكيل شده است.

بطور کلي کاتاليستها به سه دسته تقسيم مي شوند:
1- کاتاليستهاي فلزي، از قبيل Fe، Co، Ni، Rh، Pt و غيره.
2- کاتاليستهاي عايق، از قبيل سيليکا، آلومينا، زئوليتها و آلوميناي فعال شده. (اين نوع کاتاليستها نسبت به آمونياک و بازهاي الي حساس هستند.)
3- کاتاليستهاي نيمه هادي، از قبيل اکسيدهاي فلزي و سولفيدها.
غيرفعال شدن کاتاليستها  
کاتاليستها تحت سه پديده غير فعال مي شوند که عبارتند از :
1- Fouling
2- Sintering
3- Poisoning
Fouling : يک پديده فيزيکي است که در ان Active Site و یا تمام سطح نگه دارنده کاتالیست، توسط کک یا رسوبهای غیرالی پوشیده می شود. دز این حالت احیا و یا بازیابی کاتالیست با روشهای نسبتآ ساده انجام می شود.
ُSintering : یک فرآیند حرارتی است که در نتیجه آن سطح کاتالیست شکل اصلی خود را از دیدگاه میکروسکوپی از دست می دهد. پدیده Sintering معمولآ در درجه حرارتهای بالای C 650- 500 به سرعت رخ میدهد، ولی در درجه حرارتهای پایین نیز در مدت طولانی مشاهده می شود.

Poisoning : مسموم شدن یا ترکیب شیمیایی سطح کاتالیست با ترکیب ناخواسته است که در نتیجه وجود ناخالصیها در ترکیب شونده ها رخ میدهد. به دلیل واکنش شیمیایی ناخالصیهای ترکیب شونده ها با سطح کاتالیست، فعالیت آن به صورت عمده کاهش می یابد.

** واکنشهای کاتالیزوری جامد

این واکنشها دوفازی هستند که کاتالیست فاز جامد، و ترکیب شونده ها و محصولات، فاز سیال می باشند. اصولآ واکنشهای کاتالیزوری شامل شکسته شدن یا سنتز مولکولها است و معمولآ این واکنشها انرژی اکتیواسیون بالایی دارند و در نتیجه بدون وجود یک ماده تسریع کننده، انجام واکنش ممکن نیست. مانند تولید امونیاک. (بعضی کاتالیستها سرعت واکنش را کند می کنند یعنی Inhibitors)
 
یکی از مهمترین خواصی که باید کاتالیستها داشته باشند، مسئله انتخاب پذیری (Selecting) آنهاست. یعنی کاتالیستها بین صدها واکنش که ممکن است صورت گیرد، فعل وانفعالی که ما می خواهیم را تسریع کند و معمولآ واکنشها و کاتالیستهای حیاتی، صددرصد چنین وضعیتی را دارند، مثل آنزیمها.

در بعضی موارد انتخاب کاتالیزور مبنای علمی دارد. اگر واکنش هیدروژناسیون باشد از Pt استفاده می شود، اگر اکسید کنندگی باشد از مولیبدن، اهن، نقره و... استفاده می شود و در خیلی از موارد انتخاب کاتالیزور به صورت حدس و خطاست.

کاتالسیتهای جامد از مراکز فعالی (Active Site) تشکیل شده اند که این مراکز هم روی سطح خارجی هستند و اگر متخلخل باشند، در داخل تخلخل هم هست. وقتی مولکولها به نقاط فعال نزدیک می شوند، طبق یک تئوری مولکولی جذب سطحی مراکز فعال می شود و به صورت یک ماده واسطه درمی اید. در تئوری دیگر، مولکولها تحت تأثیر نقاط فعال قرار می گیرند ولی جذب نمی شوند (تحت تأثیر نیروها هستند) و تحرکشان کم می شود و انرژیشان تغییر می کند و به صورت یک ماده واسطه در می آیند. در تئوری دیگر، ماده جذب مراکز فعال می شود، تبدیل به ماده واسطه شده و به صورت یک ریشه آزاد وارد فاز سیال شده و واکنش انجام می گیرد. در تئوری اول و دوم فعل و انفعال در حوالی نقاط فعال صورت می گیرد و در تئوری سوم واکنش در توده سیال صورت می پذیرد. 

اگر کاتالیزور ارزان باشد، در انها تخلخل ایجاد می کنیم (مدل فشار، اکسترود، یا رسوب دادن) و اگر ماده گرانبها باشد مثل Pt، از یک پایه برای کاتالیست استفاده می کنیم، مثل سیلیکاتها یا مواد سرامیکی.(این مواد را به صورت متخلخل تهیه کرده و بعد کاتالیزور گرانبها را روی این پایه رسوب می دهیم. مثل ابکاری به صورت یک لایه نازک)

علت اینکه تئوری (Active Site) وارد شده، این است که اگر ماده ای به صورت کاتالیست داشته باشیم، مثلآ (%70 Fe2O3) و (%30 MgO)، چنانچه در تهیه این مواد رعایت دستورالعمل را نکنیم، کاتالیست همین ماده را دارد، ولی خاصیت کاتالیستی ندارد. اگر کاتالیست تهیه شده کاملآ خاصیت لازم را داشته باشد و بخواهیم گرم و سریعآ سرد کنیم، بیشتر نقاط فعال از بین می روند ولی جنس ماده همان است. پس نقاط فعال یک خصوصیت فیزیکی هستند که می توانند به وجود ایند یا از بین بروند.

** مشخصات اصلی کاتالیستها

1- در طی واکنش، کاتالیست بدون تغییر باقی می ماند وتنها سرعت واکنش را افزایش می دهد.
2- هنگامی که سازوکارهای متعددی برای انجام واکنش موجود باشند، کاتالیست بایستی خاصیت انتخاب پذیری داشته باشد. در اصل بایستی کاتالیست نسبت تولید ماده مطلوب را نسبت به ماده ناخواسته افزایش دهد.

3- سرعت واکنش متناسب با غلظت کاتالیست است و برای واکنشهای گاز-جامد، سطح کاتالیست وسطوح فعال بسیار مهم است.

4- در یک واکنش برگشت پذیر کاتالیست به همان نسبت که سرعت واکنش رفت را افزایش می دهد، بر سرعت واکنش برگشت هم مؤثر است. بنابراین ترکیبی درصد تعادلی سیستم چه در حضور کاتالیست و چه بدون آن یکسان است.

5- در واکنشهای اتوکاتالیستی مقدار کمی از محصول بایستی در ابتدا وجود داشته باشد.
 
انتهای پیام/