Оцените методы определения активности катализаторов

Исследование катализаторов должно носить комплексный характер, поэтому одновременно используют многие методы, позволяющие получить возможно более полные характеристики самих контактных масс, процессов и элементарных актов катализа. Однако при приготовлении катализаторов прежде всего необходимо определять их активность, макроструктуру (поверхность, пористость) и механическую прочность.

Наиболее существенной характеристикой любого катализатора является его активность в определенном каталитическом процессе. Выбор методики исследования активности связан с особенностями реакций, условиями эксперимента и т.д.

Мерой каталитической активностиможет служить скорость протекания реакции в исследуемом направлении в присутствии катализатора. При оценке активности контактных масс в производственных условиях обычно вычисляют скорость реакции по отношению к единице объема контакта

     или (5.34)

Скорость реакции выражают нарастанием концентрации продукта С_п во времени или степенью превращения х в целевой продукт основного исходного вещества (выход продукта), т.е. dC _п / dx или dx / dτ . Если скорость реакции выражать через концентрацию основного исходного вещества (реагента) С_и или через его начальную концентрацию С_н и общую степень превращения, то искомая величина составит – dC _н / dτ или - C _н dx / dτ . Определяющим во всех этих случаях будет произведение kΔC [в литературе иногда вместе Δ С пишут f(С_и)].

Для определения удельной каталитической активности, или активности единицы поверхности, необходимо замерить всю внутреннюю поверхность и полностью ее использовать в реакции, т. е. вести процесс в кинетической области. В этом случае скорость реакции выражается формулами:

    (5.35)

    (5.36)

Существует много различных методов определения кинетических характеристик, которые могут быть разделены на две основные группы: 1) статические, осуществляемые в закрытых системах и 2) проточные – в открытых системах.

Статический метод

Реакцию проводят в замкнутом объеме до установления термодинамического равновесия либо до полного превращения одного из исходных реагентов. Концентрация реагентов изменяется от исходной до равновесной, соответственно изменяется и скорость реакции по закону действующих масс (основному закону кинетики). Для исследуемого объема при отсутствии диффузионных торможений и постоянстве температуры справедливы соотношения:

    (5.37)

где C_i – концентрация компонента реакционной смеси; Т – температура; l_j – пространственные координаты реакционной системы; τ – время.

Часто статический метод используют для измерения скоростей реакций, приводящих к изменению числа молекул, что позволяет следить за ходом реакции по изменению давления.

Основными преимуществами статического метода являются воз-можность работы с очень малым количеством исходных веществ и с катализатором в любой форме, а также получение всей кинетической кривой в одном опыте, высокая чувствительность и точность измерений.

Вариантом статического метода является проведение реакций в жидкой фазе (например, гидрирование органических веществ). Из-за невысокой чувствительности метода (в отличие от статического метода в газовой фазе) обычно используют катализатор в виде зерен, порошков, но не в виде пленок или нитей.

К недостаткам статического метода следует отнести его интеграль-ный характер (т.е. необходимость проводить дифференцирование опытных данных), возможные перепады температур и концентраций и ряд других. Поэтому в настоящее время этот метод находит весьма ограниченное применение при изучении активности промышленных катализаторов.