9/19/2014 1 1 ĐỘNG HỌC XÚC TÁC 8/30/2012 Động học Xúc tác Giảng viên: DIỆP KHANH 8/30/2012 Động học Xúc tác 2 9/19/2014 2 8/30/2012 Động học Xúc tác 3 8/30/2012 Động học Xúc tác 4 VAI TRÒ CỦA XÚC TÁC TRONG NỀN KINH TẾ 27 % của GNP và 85 % của ngành công nghiệp hóa chất có sử dụng chất xúc tác. Giá trị thương mại của chất xúc tác tạo ra hằng năm ước tính 14 tỉ USD Trong năm 2005, giá trị hàng hóa được tạo ra với sự “giúp sức” của chất xúc tác ước tính 900 tỉ USD. Chất xúc tác chiếm 2% tổng vốn đầu tư trong quá trình hóa học. 9/19/2014 3 8/30/2012 Động học Xúc tác 5 Tạo được nhiều sản phẩm và kinh tế hơn Tăng vận tốc của phản ứng. Đơn giản hóa các bước phản ứng – giảm chi phí đầu tư. Phản ứng tiến hành ở điệu kiện trung bình ( T, P thấp) giảm năng lượng tiêu thụ. Giảm lượng chất thải Nâng cao độ chọn lọc ra sản phẩm mong muốn - làm giảm lượng nguyên liệu lượng chất thải không mong muốn. Thay thế các nguyên liệu nguy hiểm và độc hại. Sản xuất ra các sản phẩm mà nếu không có xúc tác thì không thể sản xuất được. Kiểm soát quá trình tốt hơn (an toàn và linh hoạt hơn). Thúc đẩy sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ. ƯU ĐIỂM CỦA QUÁ TRÌNH CÓ SỬ DỤNG XÚC TÁC 8/30/2012 Động học Xúc tác 6 CN Polymer 21% CN lọc dầu, than và khí 22% CN sản xuất các hóa chất 27% CN ứng dụng xử lý môi trường 30% Tỉ lệ các ngành công nghiệp có sử dụng Chất xúc tác 9/19/2014 4 8/30/2012 Động học Xúc tác 7 Ví dụ: – Công nghiệp Hydrogen (coal, NH 3 , methanol, FT, hydrogen hóa /HDT, fuel cell). – Lọc dầu (Petroleum refining): FCC, HDW,HDT,HCr, REF. – Hóa dầu (Petrochemicals): monomers, bulk chemicals. – Hóa chất tinh khiết (Fine Chem). – Thực phẩm (Food): Magarine, butter,… – Dược phẩm; Nông nghiệp; Dệt nhuộm. – Xúc tác môi trường (Environmental Catalysis): autoexhaust, deNOx, 8 Khái niệm về chất xúc tác và quá trình xúc tác. Cơ chế hoạt động và Các thuộc tính của chất xúc tác. Thành phần của chất xúc tác. Phân loại chất xúc tác Ứng dụng của chất xúc tác Định tính và định lượng họat tính xúc tác. Quá trình phản ứng sử dụng xúc tác. Sản xuất chất xúc tác. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính năng của xúc tác. Sự giảm họat tính của xúc tác. Tái sinh xúc tác. Các yêu cầu của chất xúc tác công nghiệp. Một vài quá trình trong tiến trình phát triển của xúc tác công nghiệp NHẬP MÔN 8/30/2012 Động học Xúc tác 9/19/2014 5 8/30/2012 Động học Xúc tác 9 Chất xúc tác (Catalyst) ? Sự xúc tác (Catalysis) ? 10 Về bản chất Chất xúc tác làm thay đổi cơ chế phản ứng dẫn đến làm giảm năng lượng họat hóa của phản ứng.  Về mặt lý thuyết, Chất xúc tác không thay đổi sau phản ứng.  Chất xúc tác không làm thay đổi đặc tính nhiệt động của phản ứng.  Đối với một phản ứng thuận nghịch, Chất xúc tác làm tăng tốc độ cả chiều thuận và chiều nghịch, dẫn đến phản ứng đạt cân bằng nhanh hơn. 9/19/2014 6 11 – Ví dụ: CH 4 (g) + CO 2 (g) = 2CO(g) + 2H 2 (g) D G° 373 =151 kJ/mol (100 °C) D G° 973 =-16 kJ/mol (700 °C) • Tại 100°C, D G° 373 =151 kJ/mol > 0. Phản úng này sẽ không xảy ra dù có hay không có xúc tác. • Tại 700°C, D G° 973 = -16 kJ/mol < 0. Phản ứng có xả ra nhưng với vận tốc rất nhỏ. Khi có sự hiện diện của Pt/ZrO 2 hay Ni/Al 2 O 3 thì tốc độ của phản ứng xảy ra rất mãnh liệt . Cơ chế hoạt động 12 8/30/2012 Động học Xúc tác • A, B: Chất phản ứng. • Bonding: liên kết. • Separation: sự tách. • Catalyst: chất xúc tác. • Reaction: phản ứng. • P: sản phẩm. 9/19/2014 7 8/30/2012 Động học Xúc tác 13 Free energy: năng lượng hoạt hóa. Energy barrier: hàng rào năng lượng Reactants : các chất phản ứng Catalyzed reaction : Phản ứng xúc tác. Products : các sản phẩm Uncatalyzed reaction : phản ứng không xúc tác Course of reaction: tiến trình phản ứng E a : năng lượng hoạt hóa 148/30/2012 Động học Xúc tác 9/19/2014 8 8/30/2012 Động học Xúc tác 15 Các thuộc tính của chất xúc tác Hoạt độ (the Acivity) Độ chuyển hóa (Conversion): Tốc độ (Rate): Tần số ln chuyển (TurnOver Frequency): TOF = số phân tử sản phẩm được hình thành trong một đơn vị diện tích chất xúc tác, cm 2 , và trong một giây (molecules.cm -2 .sec -1 ). Số mol của chất phản ứng đã chuyển hóa Số mol của chất phản ứng đưa vào X      Số mol của sản phẩm Thể tích của chất xúc tác . Thời gian i v  8/30/2012 Động học Xúc tác 16 Số phân tử của sản phẩm TOF (Diện tích bề mặt của chất xúc tác).(Thời gian)  Số phân tử của sản phẩm TOF (Số mol của tâm hoạt tính).(Thời gian)  Hay TOF = số phân tử sản phẩm được tạo thành trên một tâm hoạt tính của chất xúc tác trong một giây (molecules.sec -1 ). 9/19/2014 9 8/30/2012 Động học Xúc tác 17 TOF = số phân tử sản phẩm được tạo thành trên một tâm hoạt tính của chất xúc tác trong một giây (molecules.sec -1 ). TOT = 1/TOF = thời gian ln chuyển (turnover time), thời gian cần thiết để tạo thành một phân tử sản phẩm (giây, sec). TOR = Tốc độ ln chuyển (Turnover rate) = TOF X Diện tích bề mặt. TON= TOF X Tổng thời gian phản ứng. TON = 1 ( stoichiometry); Trong cơng nghiệp thì TON >100 mới thỏa mãn u cầu. 8/30/2012 Động học Xúc tác 18 Độ chọn lọc (The Selectivity) Chọn lọc Hóa học Chọn lọc lập thể Số mol sản phẩm mong muốn Số mol chất phản ứng đã chuyển hóa . X  9/19/2014 10 8/30/2012 Động học Xúc tác 19 8/30/2012 Động học Xúc tác 20 Độ bền (The Stability) Số năm sử dụng Lượng sản phẩm tạo ra / Lượng xúc tác sử dụng [...]... TPD 23 9/19/2014 TGA/DTA Analyzers Coke measurement & TPO 24 9/19/2014 8/30/2012 Động học Xúc tác 49 8/30/2012 Động học Xúc tác 50 25 9/19/2014 8/30/2012 Động học Xúc tác 51 8/30/2012 Động học Xúc tác 52 26 9/19/2014 8/30/2012 Động học Xúc tác 53 8/30/2012 Động học Xúc tác 54 27 9/19/2014 Quá trình phản ứng sử dụng xúc tác (Catalytic Reaction Processes) Some catalytic reactors: (a, gaseous feed; b,... 10 CO2 Động học Xúc tác 29 Ví dụ: Chất xúc tác đồng thể: xúc tác axit trong phản ứng ester hóa CH3COOH(l) + CH3OH(l)  CH3COOCH3(l) + H2O(l) O R C OH O Không có chất xúc tác H+ giai đoạn nà diễn ra chậm H R + H O O OH + -H R C OH Có chất xúc tác H+ giai đoạn này diễn ra nhanh hơn 8/30/2012 R C OH O R C O R H R Động học Xúc tác 30 15 9/19/2014 Ví dụ: Chất xúc tác sinh học 8/30/2012 Động học Xúc tác 31... chức họat động  Olefin  Hợp chất thơm  Hợp chất vòng 5 8/30/2012 Động học Xúc tác 67  Tái sinh xúc tác: Đốt cháy cốc Giải hấp Hòa tan trong dung môi Khử / oxy hóa 8/30/2012 Động học Xúc tác 68 34 9/19/2014 8/30/2012 Động học Xúc tác 69 Yêu cầu chung của một chất xúc tác: Rẻ Bền cơ học, thời gian và bền nhiệt Họat động cao Chọn lọc cao Dễ tái sinh Không độc hại 8/30/2012 Động học Xúc tác 70 35... đưa chất xúc tác lỏng trên một chất mang rắn 8/30/2012 Động học Xúc tác 57 Với chất xúc tác rắn, chất xúc tác được giữ cố định trong quá trình phản ứng (trừ trường hợp được vận chuyển trong quá trình tái sinh) nên không bị hao mòn, ít tốn kém Ngoài ra, Xúc tác rắn có khả năng tái sử dụng cao 8/30/2012 Động học Xúc tác 58 29 9/19/2014 Sản xuất chất xúc tác • Xúc tác khối (Bulk catalysts) • Xúc tác giá... metal compouds) Chất xúc tác Dị thể (Heterogeneous catalysts) Chất xúc tác khối (Bulk catalysts) Chất xúc tác sinh học (Biocatalysts) Chất xúc tác đồng thể được dị thể hóa (Heterogenized homogeneous catalysts) Chất xúc tác chuyển pha (Phase Transfer catalysts) Chất xúc tác giá mang (Supported catalysts) Động học Xúc tác 26 13 9/19/2014 Cụ thể: Dựa vào trạng thái vật lý, chất xúc tác có ba loại: Khí,... Guangzhou) 8/30/2012 Động học Xúc tác 23 Thành phần của chất xúc tác Tùy thuộc vào loại xúc tác mà thành phần của một chất xúc tác (hệ xúc tác) có thể là: Nguyên tử, phân tử, đơn chất, hợp chất Thông thường, một hệ xúc tác có thể có các thành phần sau: Pha họat động: tâm hoạt động chính, chất cải tiến (phụ gia) Pha nền (chất mang): để phân tán tâm họat động, bổ trợ tính năng xúc tác và giảm giá thành... chất có họa tính sinh học, …), CN Hóa chất tinh khiết (sản xuất các hóa chất như H2SO4,…) 8/30/2012 Động học Xúc tác 37 Ví dụ: CN Hóa dầu, CN năng lượng, CN phân bón 8/30/2012 Động học Xúc tác 38 19 9/19/2014 8/30/2012 Động học Xúc tác 39 Ví dụ: trong CN thực phẩm Hydrogen hóa với xúc tác Nickel để tạo ra margarine (giống như Bơ, nhưng được làm từ dầu thực vật) 8/30/2012 Động học Xúc tác 40 20 9/19/2014... nguyên liệu  Hình dạng, kết cấu của chất xúc tác Một số hình dạng của xúc tác công nghiệp 8/30/2012 Động học Xúc tác 60 30 9/19/2014 Sự so sánh các tính chất-ứng dụng giữa các dạng xúc tác 8/30/2012 Động học Xúc tác 61 Slurry-reactor catalysts: powders (25 m); attrition resistance important; usually high density important (for easy settling) 8/30/2012 Động học Xúc tác 62 31 9/19/2014 Moving-bed catalysts:... Chất xúc tác Quang semiconductor A + D  A - + D+  h  E bg 8/30/2012 Động học Xúc tác 34 17 9/19/2014 Ví dụ: Phản ứng phân hủy nước H -cat / semiconductor / O -cat 2 2 2H 2 O  2H 2  + O2   H2 -xúc tác (H2-cat) thường được sử dụng là Pt, O2 xúc tác (O2-cat) thường dùng là RuO hoặc không sử dụng Chất cảm biến ánh sáng bán dẫn là SrTiO3 8/30/2012 Động học Xúc tác 35 Ví dụ: Xúc tác chuyển... chức năng, chất xúc tác có các loại: Axít – Bazơ (Acid-base catalysts) Xúc tác Enzymatic (Enzymatic) Xúc tác quang (Photocatalysis) Xúc tác điện tử (Electrocatalysis), 8/30/2012 Động học Xúc tác 28 14 9/19/2014 Ví dụ: Xúc tác đồng thể CFC: CClmF4-m và C2ClmF6-m (m≠0)  Phản ứng phân hủy tầng ozone O3 + O  2O2 Khi có Cl: Cl + O3  ClO3 ClO3  ClO + O2 ClO + O  Cl + O2 Ví dụ: Chất xúc tác đồng thể : . 9/19/2014 1 1 ĐỘNG HỌC XÚC TÁC 8/30/2012 Động học Xúc tác Giảng viên: DIỆP KHANH 8/30/2012 Động học Xúc tác 2 9/19/2014 2 8/30/2012 Động học Xúc tác 3 8/30/2012 Động học Xúc tác 4 VAI TRÒ CỦA XÚC TÁC TRONG. học Xúc tác 34 Ví dụ: Chất xúc tác Quang -+ A + D A + D bg semiconductor hE    9/19/2014 18 8/30/2012 Động học Xúc tác 35 H 2 -xúc tác (H 2 -cat) thường được sử dụng là Pt, O 2 xúc tác. xúc tác là men zima. C 6 H 12 O 6 -& gt; 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 9/19/2014 17 8/30/2012 Động học Xúc tác 33 Ví dụ: Chất xúc tác điện tử Phản ứng oxi hóa methanol trên xúc tác Pt 8/30/2012 Động học