کاتالیزگر

كاتاليزگرها در فرآيندهاي بيولوژيكي هم از اهميت بسياري برخوردار هستند. آنزيم‌ها مانند يك كاتاليزگر در كليه اعمال زيستي نقش بسيار اساسي و ماهرانه‌اي را ايفا مي‌كنند كه كاتاليزگرها را مي‌توانيم به يك كليد تشبيه كنيم كه مي‌تواند انواع قفل‌ها را با مكانيسم‌هاي مختلف باز كند يعني نقشي كه آنزيم‌ها در اعمال زيستي و حياتي ايفا مي‌كنند بسيار مؤثرتر از كاتاليزگرهايي است كه ساخته‌ي دست بشر است در اين مقاله سعي شده است كه از تعريف كاتالزگر، خواص چند مكانيسم كاتاليزگرها مورد بحث و بررسي قرار گيرد و برخي از كاربردهاي آن در صنعت بيان شده است نقش و اهميت كاتاليزگرها در پالايش‌هاي نفت و بسياري از سنتزها در سايه‌ي بهره‌گيري از كاتاليزگرهاي خاصي با مكانيسم‌هاي معين انجام مي‌گيرد و برخي از كاتاليزگرها نه تنها تشكيل يا شكستن پيوندها را آسان مي‌كنند بلكه محصولات واكنش را هم در قالب هندسي خاصي توليد مي‌كنند اميدواريم مورد توجه قرار گيرد.

مقدمه

تا اغاز قرن نوزدهم ماهيت كاتاليزگرها ناشناخته بود، سرانجام در سال 1835 ميلادي، ژان ياكوب برسليوس شيميدان سوئدي در بررسي واكنشهاي شيميايي در طول سي سال پژوهش و بررسي يكي از خصوصيات مهم واكنشها را سرعت انجام آنها دانست زيرا واكنشهايي كه در آزمايشگاه انجام مي‌شود بايد از سرعت كافي برخوردار باشد تا بتوان واكنشي را دنبال كرده و با مشاهده آزمايش به نتايجي دست يافت مانند هر گاه شعلة كبريت افروخته‌اي را به توده‌اي از قند تماس دهيد قند گداخته مي‌‌شود ولي نمي‌سوزد، براي سوزاندن قند مي‌توانيد مقداري خاكستر سيگار يا كمي از خاك گلدان روي آن بريزيد در اين صورت قند با شعله‌ي آبي خيره‌كننده‌اي همراه با صداي فش‌فش خواهد سوخت در اين عمل خاكستر سيگار يا خاك گلدان كاتاليزگر است، يعني سوختن قند در مجاورت خاكستر يا خاك انجام مي‌گيرد، ليكن خاكستر يا خاك در پايان واكنش بدون تغيير شيميايي به جا مي‌ماند.

كشف كاتاليزگرهاي جديد تأثير فراواني در صنعت داشته است و واكنشهاي شيميايي در صنعت بايد نسبتاً سريع انجام شوند زيرا يك كارخانه‌دار نمي‌تواند سالها در انتظار بدست آمدن محصولي بماند كه امروز بازار فروش خوبي دارد.

دانش روز افزون درباره‌ي آنزيم‌ها يعني كاتاليزگرهاي زيستي درك ما را درباره‌ي فرآيندهاي زيستي دگرگون كرده است، به همين دليل مطالعه و نحوه‌ي كاربرد آنها در بين مواد شيميايي از اهميت ويژه‌اي برخوردار است.

آنزيم‌ها در تنظيم سرغت واكنشهاي شيميايي كه در بدن موجودات زنده انجام مي‌شوند، نقش بسيار اساسي دارند. آنزيم‌ها خود تركيبهاي پيچيده‌اي هستند كه از مولكولهاي بسيار سنگين پروتئيني ساخته شده‌اند. تنظيم و اداره هر يك از واكنشهاي زيستي به عهده‌ي آنزيم ويژه‌اي است. امروزه تخمين زده‌اند كه چندين هزار آنزيم مختلف در اداره‌ي اعمال زيستي بدن انسان شركت دارند. بسياري از فرآيندهاي زيستي، مانند گوارش در جانوران و فتوسنتز در گياهان ضروري هستند. آنزيم‌ها نقش مهمي در لخته شدن خون و انقباض بافتهاي ماهيچه‌اي دارند، كاتاليزگرها حتي سبب تغيير رنگ برگ‌ها در پائيز و تبديل گلولز به اتيل الكل (اتانول) مطابق با واكنش زير مي‌شوند:

نخستين بار لويي پاستور در دهة سال 1850 با پژوهشهاي خود درباره‌ي تخمير، كاتاليزگرهاي زيستي را مورد مطالعه قرار داد، پاستور نشان داد كه ارگانيسم ذره‌بيني مخمر سبب تبديل گلولز به اتانول و كربن دي‌اكسيد مي‌شود كه بعدها دانشمند آلماني ادوارد بوخنر در سال 1897 نشان داد كه اين تخمير توسط ماده‌ي موجود در عصارة مخمر حاصل مي‌شود و اين ماده را آنزيم ناميدند.

بعدها مواد ديگري كشف شدند كه مي‌توانستند به عنوان كاتاليزگر در فرآيندهاي زيستي شركت كنند سي سال پس از كشف بوخنر نخستين آنزيم به حالت بلوري خالص بدست آمد.

هر آنزيم معمولاً مي‌تواند تنها در يك واكنش خاص به عنوان كاتاليزگر شركت كند، بنابراين سلولهاي زنده صدها انزيم مختلف را توليد مي‌كنند تا اين آنزيم‌ها در صدها واكنش شيميايي مختلف، كه ضرورت زنده ماندن سلولها هستند، به عنوان كاتالزگر شركت كنند.

آنزيم‌ها كاتاليزگرهايي با كارآيي شگفت‌آوري هستند مقياسي از اين كارايي، عدد تبديل است. عدد تبديل تعداد مولكولهايي از ماده اوليه است كه يك مولكول آنزيم در هر واحد زماني به فرآورده‌هاي تبديل مي‌كند. عدد تبديل آنزيم مالتوز ، كه در تمام ارگانيسم‌هاي حيواني يافت مي‌شود در واكنش ئيدروليز قند مالتوز است كه در اين واكنش گلولز تشكيل مي‌شود.

سرعت انجام همه‌ي واكنشهاي شيميايي يكسان نمي‌باشد مثلاً بعضي از واكنشها سريع هستند مانند اگر مقدار كمي از سديم را در آب بياندازيم به سرعت با اكسيژن آب واكنش داده و محلول قليا توليد مي‌كند. برخي از واكنشها از سرعت بسيار كمي برخوردار هستند مانند مس در شرايط عادي به آرامي با اكسيژن هوا تركيب مي‌شود، از اين رو ذخايري از اين عنصر در سطح زمين يافت مي‌شود، واكنشهاي ديگري نيز هستند كه سرعت متوسطي دارند مانند واكنش آهن با اكسيژن هوا كه در شرايط عادي مدت زمان متوسطي طول مي‌كشد تا آهن زنگ بزند البته واكنشهاي فوق را مي‌توان تحت شرايط سريع يا از سرعت آن كاست بنابراين عواملي مانند دما، غلظت، كاتاليزگر واكنش‌دهنده‌ها سطح تماس، ماهيت مواد اوليه كاتاليزگر به ميزان قابل توجهي روي سرعت واكنش مؤثر خواهد بود.

براي مثال برسليوس شرح داد كه چگونه اسيدها، تبديل نشاسته به قند را سرعت مي‌دهند و چگونه در مجاورت فلز پلاتين، واكنشها بين گازها با سرعت بيشتر صورت مي‌گيرد.

در سال 1902 ويلهلم استوالد شيميدان آلماني كاتاليزگر را ماده‌اي تعريف كرد كه سرعت واكنشهاي شيميايي را تغيير مي‌دهد و در پايان واكنش بدون تغيير، باقي مي‌ماند و هم‌چنين توانست خصوصيات ويژه‌اي كاتاليزگرها را بيان نمايد.

برخي از خصوصيات ويژه‌ي كاتاليزگرها

كاتاليزگرها در فعاليت خود ويژگي‌هاي كاملاً خاصي دارند در بعضي از موارد يك كاتاليزگر معين موجب سنتز نوعي محصولات خاص از بعضي مواد مي‌شود حال آنكه كاتاليزگر ديگر موجب سنتز محصولات كاملاً متفاوت ديگري از همان مواد مي‌شود و امكان وقوع هر دو واكنش از لحاظ ترموديناميكي ميسر است مانند مونوكسيدكربن و هيدروژن مي‌توانند با توجه به كاتاليزگر به كار رفته و شرايط واكنش فرآورده‌هاي بسيار گوناگوني را توليد كنند. اگر يك كاتاليزگر كبالت يا نيكل در واكنش مونوكسيدكربن با ئيدروژن به كار رود، مخلوطي از ئيدروكربنها به دست مي‌آيد ولي اگر در همين واكنش مخلوطي از اكسيدهاي روي و كروم به عنوان كاتاليزگر مصرف شود از 2Co و 2 H متانول توليد مي‌‌شود يعني:

ساده‌ترين و ارزان‌ترين راه براي سرعت بخشيدن به يك واكنش يافتن كاتاليزگر مناسبي است كه اكثراً به صورت جامدات ريزي مي‌باشند البته انتخاب كاتاليزگر براي هر واكنش بيشتر يك هنر است تا علم، براي انتخاب كاتاليزگر، مواد مختلفي آزمايش مي‌شود و مؤثرترين آنها انتخاب مي‌شود.

اثر كاتاليزگرها در واكنشهاي تعادلي

بنا به قوانين ترموديناميك، يك سيستم در حال تعادل با اضافه كردن كاتاليزگر تغيير نمي‌كند. كاتاليزگر بر سرعت رسيدن سيستم به حالت نهايي تعادل مي‌افزايد ولي نمي‌تواند مقدار ثابت تعادل را تغيير دهد زيرا در شرايط تعادل يك كاتاليزگر همان اثر را در افزودن سرعت واكنش معكوس (برگشتي) دارد كه در واكنش مستقيم (رفت) نيز اعمال مي‌كند.

نقش كاتاليزگري

فلزات واسطه به علت قدرت جذب سطحي زياد، تمايل به تشكيل تركيب‌هاي درون شبكه‌اي و يا كمپلسكهاي فعال و سهولت شركت در واكنش‌هاي اكسايش- كاهش مي‌توانند بسياري از مواد را به صورت تركيبهاي حد واسطه مناسبي كه به آساني به صورت مواد مورد نظر در مي‌آيند، تبديل كنند از اين رو نقش كاتاليزگر را در بسياري از واكنش‌ها مي‌توانند ايفا كنند، به ويژه به صورت تركيبهاي آلي- فلزي مانند نقش كاتاليزگري نيكل در واكنشهاي هيدروژن‌دار كردن و يا نقش كبالت در تبديل آلكن‌ها با آلدئيدها در مجاورت Co و 2H

2- كاتاليزگر و انرژي فعالسازي

كاتاليزگر نمي‌تواند موجب وقوع واكنشهايي شود كه از نظر ترموديناميك امكان وقوع ندارند بعلاوه صرفاً حضور يك كاتاليزگر نيست كه (احتمالاً به عنوان يك بخش فعال كننده) موجب اثر و سرعت واكنش مي‌شود. در يك واكنش كاتاليز شده، كاتاليزگر در مراحلي از انجام واكنش عملاً دخالت مي‌كند و در مراحل بعدي بار ديگر به همان حالت اوليه برمي‌گردد و اين عمل بارها تكرار مي‌شود بدون آنكه كاتاليزگر دچار تغيير دائمي شود.

كار كاتاليزگر آن است كه راه تازه‌اي براي پيشرفت واكنش مي‌گشايد بدين‌ترتيب مكانيسم واكنش كاتاليزي با واكنش بدون كاتاليزگر تفاوت دارد و انرژي فعال‌سازي مسيري كه واكنش به كمك كاتاليزگر طي مي‌كند كمتر از انرژي فعال‌سازي راهي است كه همان واكنش بدون كاتاليزگر مي‌پيمايد و اين واقعيتي است كه علت سريع‌تر شدن واكنش را توجيه مي‌كند.

پيدا كردن كاتاليزگر براي يك واكنش كمي شبيه پيدا كردن راهي از ميان يك رشته كوه است و هدف اين است كه گذشتن از كوه را از هر دو طرف آسانتر كند. محل نسبي درّه‌ها در اطراف كوه بدون تغيير مي‌ماند و در اينجا نيز مانند گذرگاههاي كوهستاني اغلب پيدا كردن كاتاليزگر مناسب آسان نيست.

بنابراين واكنش در مجاورت كاتاليزگر از مسيري كه سربالايي انرژي در آن كوتاهتر است انجام مي‌گيرد، بنابراين كار اصلي كاتاليزگر كاهش انرژي فعالسازي كلي واكنش است. همچنين زماني كه كاتاليزگر مورد استفاده قرار مي‌گيرد مولكولهاي نسبتاً بيشتري انرژي لازم براي يك برخورد مؤثر را پيدا مي‌كنند و بدين‌ترتيب عده كل برخوردهاي مؤثر در واحد زمان كه موجب انجام واكنش مي‌شوند، افزايش مي‌يابند. با ملاحظه شكل زير به دو نقطه ديگر نيز مي‌توان پي برد نخست آنكه واكنش كاتاليزي با واكنش بدون كاتاليزگر يكسان است و ديگر آنكه انرژي فعالسازي واكنش معكوس يعني ، نيز به هنگام استفاده از كاتاليزگر كاهش مي‌يابد و مقدار كاهش آن درست برابر با كم شدن انرژي فعالسازي واكنش كاتاليزي اصلي، ، است اين بدان معني است كه كاتاليزگر بر يك واكنش و واكنش كردن شناخته شده است (شكل صفحه 4) ذيلاً چند نمونه از مكانيزم واكنش‌هاي متداول ارائه مي‌شود.

الف) كاتاليزگر همگن

I) براي مثال تجزيه پراكسيد هيدروژن را در نظر مي‌گيريم.

واكنش مستقيم بسيار آهسته روي مي‌دهد، محلول آبي كه از داروخانه خريداري مي‌شود به مدت چند ماه پايدار است ولي اگر به محلول، يون يديد اضافه شود واكنش بلافاصله روي مي‌دهد و حبابهاي گاز اكسيژن را كه در محلول تشكيل مي‌شود مي‌توان مشاهده نمود. واكنش در حضور يونهاي يديد يك مسير دو مرحله‌اي را طي مي‌كند.

بايد به اين نكته توجه نمود كه نتيجه نهايي مانند نتيجة نهايي واكنش مستقيم است، يون يديد يك كاتاليزگر حقيقي است و در واكنش مصرف نمي‌شود. بازاء هر يون يديد مصرف شده در مرحله اول يك يون يديد در مرحله دوم توليد مي‌شود.

انرژي فعالسازي اين مسير دو مرحله‌اي خيلي كوچكتر از انرژي فعالسازي واكنش كاتاليزگر نشده است.

II) نمونة ديگر از كاتاليزگر همگن تجزيه اوزون در حضور است.

دي نيتروژن پنتا اكسيد به آساني تجزيه شده به اكسيژن و اكسيدهاي درجه پائين‌تر تبديل ميگردد مثلاً اوزون به سرعت اثر مي‌كند در اين عمل اكسيژن توليد مي‌شود و كاتاليزگر بار ديگر بوجود مي‌آيد.

البته بايد تاكيد شود كه اين مكانيسمها صرفاً فرضيه‌هايي قابل قبولند و بدون شك مكانيسم واقعي ممكن است شامل مراحلي ديگر مانند مراحل زير باشند:

III)

براي بررسي بيشتر دربارة نقش يون آهن (II)، در تجزيه محلول پراكسيد هيدروژن بايد به واكنشهاي احتمالي ميان اين يون و بيشتر توجه كنيم. مي‌تواند يون آهن (II) را اكسيد كند و اين واكنش از لحاظ تغيير انرژي آزاد گيبس كاملاً انجام‌پذير است.

علاوه بر آن با يونهاي آهن (III) نيز واكنش مي‌دهد و در اين واكنش نقش كاهندگي دارد.

حال اگر دو واكنش بالا را جمع كنيم همان واكنش تجزيه بدست مي‌آوريم.

IV)

گاز NO به صورت زير در سرعت بخشيدن به واكنش شركت مي‌كند.

در شرايط يكسان هر يك از واكنش‌هاي فوق بسيار سريعتر از واكنش ميان انجام مي‌گيرد. يقيناً سربالايي انرژي در دو واكنش بالا از سربالايي انرژي در واكنش بسيار كوتاهتر است.

V) گاز در دماي اتاق گاز نسبتاً بي‌انرژي است اما در دماي طبق معادلة زير تجزيه مي‌شود.

اين واكنش با مقدار ناچيزي از گاز كلر كاتاليز مي‌شود. مكانيزم پيشنهاد شده به صورت زير است:

در دماي آزمايش و به ويژه در مقابل نور برخي از مولكولهاي كلر به اتمهاي كلر تفكيك مي‌شود.

اتمهاي كلر به آساني با گاز تركيب مي‌شوند.

به سرعت تجزيه مي‌شوند.

ب) كاتاليزگر ناهمگن

كاتاليزگر ناهمگن عموماً از طريق جذب سطحي شيميايي

مواد واكنش‌ دهنده در سطح كاتاليزگر صورت مي‌گيرد. جذب سطحي فرايندي است كه در جريان آن مولكولها به سطح جسمي جامد مي‌چسبند. مثلاً در ماسك‌هاي گازي، زغال به عنوان يك ماده جاذب براي گازهاي زيان‌آور به كار مي‌رود در جذب سطحي فيزيكي معمولي مولكولها به وسيله نيروهاي واندروالسي به سطح ماده جذب مي‌شوند، بنابراين مولكولهايي از گاز كه جذب سطحي شده‌اند، تا همان حد تحت تأثير قرار گرفته‌اند كه گويي مايع شده باشند.

در جذب سطحي شيميايي مولكولهاي جذب شده با پيوندهايي كه قابل مقايسه با پيوندهاي شيميايي است به سطح ماده كاتاليزگر نگه داشته مي‌شوند. در فرايند تشكيل پيوند با ماده جاذب مولكولهايي كه به طور شيميايي جذب شده‌اند دچار تغيير آرايشي الكتروني دروني مي‌شوند. پيوندهاي درون بعضي از مولكولها كشيده، ضعيف و حتي پيوند بعضي از آنها شكسته مي‌شود و اين عمل انرژي فعالسازي واكنش را پائين مي‌آورد.

البته تاكنون مكانيسم جذب سطحي شيميايي در كاتاليزگر سطح كاملاً فهميده نشده است، فقط فرضهاي قابل قبولي براي مكانيسم چند واكنش خاص مطرح مي‌شود.

I) مكانيسم پيشنهاد شده براي تجزيه با استفاده از كاتاليزگر طلا به اين صورت مي‌باشد كه مولكولهاي بر سطح طلا به طور شيميايي جذب مي‌شوند و واكنشهاي زير روي اين سطح صورت مي‌گيرد.

شكل 10

شكل: روشي كه براي تجزيه بر پيشنهاد شده است.

II)

در اينجا به نظر مي‌رسد كه پيوند را ضعيف مي‌كند و باعث تشكيل اتمهاي آزاد اكسيژن مي‌شوند. اين اتمها از مولكولهاي فعالتر هستند. يك مولكول با يك اتم در سطح كاتاليزگر برخورد مي‌كند، سريعاً به تبديل مي‌شود. مسير واكنش كاتاليز شده به صورت زير است:

كاتاليزگر پلاتين در مبدل كاتاليزگري يك اتومبيل احتمالاً به همين صورت عمل مي‌كند. در اين مورد منوكسيد كربن سوخته نشده، به دي‌اكسيد كربن تبديل مي‌شود.

و در عين حال هيدروكربنهاي سوخته نشده نيز به تبديل مي‌شوند.

III)

مخلوط هيدروژن و اكسيژن در شرايط عادي واكنشي از خود نشان نمي‌دهد. اين مخلوط به كمك يك شعله يا جرقه يا در دماهاي خيلي بالا به سرعت منفجر مي‌شود.

وقتي مخلوط هيدروژن و اكسيژن از روي گرد پلاتين عبور داده مي‌شود، مشتعل شده و با سرعت قابل توجهي مي‌سوزد. براي بيان نقش كاتاليزگري پلاتين در واكنش مي‌توان چنين گفت كه مولكولهاي گاز اكسيژن در برخورد خود با سطوح ذره‌هاي پلاتين، جذب آنها شده و در پي آن به اتمهاي اكسيژن تجزيه مي‌شوند. اتمهاي اكسيژن حاصل بر روي مكانهاي جذب واقع بر سطوح ذره‌هاي پلاتين باقي مي‌مانند. مولكولهاي هيدروژن در برخورد خود با اين اتمها با آنها واكنش مي‌دهند و مولكولهاي را پديد مي‌آورند. مولكولهاي حاصل چون تمايل زيادي براي باقي ماندن بر سطوح ذرات پلاتين ندارند، از آن جدا مي‌شوند.

در شكل زير مكانيسم ساده‌اي در مورد نقش كاتاليزگر پلاتين در واكنش نشان داده شده است.ژ

مسموميت كاتاليزگرها

در چنين واكنشهايي بهره‌گيري از كاتاليزگرهايي كه به آساني مسموم نمي‌شوند، اهميت دارد. سمهاي كاتاليزگري (Catalyst Poisons) مواد هستند كه فعاليت كاتاليزگر را متوقف مي‌كنند، يعني موادي هستند كه به شدت روي اتمهاي سطحي كاتاليزگر جذب مي‌شوند و بنا بر اين فعاليت كاتاليزگري آن را متوقف مي‌كنند. براي مثال، پلاتين كاتاليزگر در تركيب دي‌اكسيد گوگرد با اكسيژن است. اين مطلب در سال 1831 به وسيلة پرگرين فيليپس كشف شد. وي فرزند يكي از توليد كننده‌هاي سركه از اهالي بريستول بود. ليكن اين روش بالقوه مهم براي توليد تري‌اكسيد گوگرد و به دنبال آن اسيد سولفوريك، تا حدود پنجاه سال در مقياس صنعتي به كار برده نشد. زيرا اثر كاتاليزگر به زودي ناپديد مي‌شد. سرانجام شيميدان ديگري به نام و.س. اسكوير نشان داد كه ناخالصيها چون اكسيد ارسنو (تري‌اكسيد ارسنيك)، كه اغلب همراه با دي‌اكسيد گوگرد است، عامل از بين رفتن اثر كاتاليزگر (پلاتين) هستند.

برخي از كاربردهاي صنعتي كاتاليزگرها

كاتاليزگرها در صنعت اهميت فراواني دارند و همواره كاتاليزگر‌هاي بهتر و جديدتري كشف مي‌شوند. دليل اين امر روشن است. هر چه كاتاليزگر كارآيي بيشتري داشته باشد، دماي لازم براي پيشرفت واكنش را پائين‌تر خواهد آورد و در نتيجه سوخت كمتري مصرف خواهد شد.

واكنشهاي كاتاليزگري كه در صنعت انجام مي‌گيرند تقريباً هميشه از نوع كاتاليزگري ناهمگن (كاتاليزگري سطحي) هستند زيرا در اين حالت جدا كردن فرآورده‌ها از كاتاليزگر آسان‌تر است. براي مثال اگر كاتاليزگر جامدي را براي واكنش بين گازها به كار بريم، مي‌توان كاتاليزگر جامد را در محيط واكنش گذاشت و گازها را از روي آن عبور داد. در پايان عمل كاتاليزگر بدون تغيير شيميايي در محيط واكنش باقي مي‌ماند.

آب به عنوان كاتاليزگر

به احتمال زياد حتي ساده‌ترين واكنش‌هاي شيميايي نيز بدون مجاورت كاتاليزگر انجام نمي‌گيرد، هر چند كه ما اغلب از وجود كاتاليزگر غافل هستيم، به عنوان نمونه، آب در بسياري از واكنشهاي شيميايي نقش كاتاليزگر را دارد. بسياري از واكنش‌ها كه در شرايط عادي با تندي پيش مي‌روند، در صورت نبودن اثري از آب در محيط واكنش اصلاً انجام نخواهند گرفت (براي خشك كردن مي‌توان از مواد جاذب رطوبت مانند پنتاكسيد فسفر استفاده كرد).

معمولاً آب به صورت بخار يا به صورت حلاّل مواد، نقش كاتاليزگر خود را ايفا مي‌كند. ئيدروژن، كربن، گوگرد و مونوكسيد كربن خشك را نمي‌توان در اكسيژن خشك سوزاند. سديم را مي‌توان بدون اينكه واكنشي در كُلُر خشك ايجاد كند، ذوب كرد. كلريد ئيدروژن خشك و آمونياك خشك را مي‌توان با يكديگر تماس داد بدون اينكه تماس آنها سبب توليد كلريد آمونيم شود. نيز كلريد آمونيم كاملاً خشك با گرما دادن تجزيه نمي‌شود. اينها نمونه‌هايي از واكنش‌هاي شيميايي هستند كه آب نقش كاتاليزگر را در آنها ايفا مي‌كند.

نفت خام و كاتاليزگرها

كاتاليزگرها اهميت زيادي در صنعت نفت دارند. اين صنعت يكي از مهمترين صنايع دنياي جديد به شمار مي‌رود. نفت خام به هنگام استخراج از زمين، مخلوطي از ئيدروكربنهاست (ئيدروكربنها تركيباتي از ئيدروژن و كربن هستند.) در پالايشگاه نفت، اين مخلوط به كمك تقطير به فراورده‌هاي گوناگوني مانند گازهاي نفت، بنزين، نفت سفيد، نفت سياه و غيره تفكيك مي‌شود. معمولاً در يكي از اين فراورده‌ها مانند نفت سياه، مازاد و در فراورده‌اي ديگر مانند بنزين، كمبود وجود دارد. يكي از اساسي‌ترين هدفهاي پالايش نفت خام تبديل فراورده‌هاي مازاد به فراورده‌هاي مورد نياز است. در اين مورد كاتاليزگرها ما را ياري مي‌كنند.

شكستن كاتاليزگري فراورده‌هاي سنگين نفت خام

فراورده‌هايي چون نفت سياه را مي‌توان به آساني به كمك گرما به بنزين تبديل كرد. اين فرايند را شكستن (Cracking) مي‌نامند و معمولاً تحت فشار زياد ودر دماي حدود انجام مي‌گيرد (شكستن، تجزية مواد در اثر گرما در پناه هواست، براي مثال، گرما دادن ئيدروكربنهاي سنگين نفت در پناه هوا و تبديل آنها به گاز و بنزين نمونه‌اي از شكستن است. در فرايند شكستن، مولكولهاي سنگين به مولكولهاي سبك شكسته مي‌شوند). ليكن در صورت بهره‌گيري از يك كاتاليزگر، فرايند ياد شده مي‌تواند بسيار آسان‌تر و با كنترلي دقيق‌تر انجام گيرد.

بازسازي كاتاليزگري

فرايند ديگر تبديل در يك پالايشگاه نفت نه در رابطه با شكستن مولكولها بلكه در رابطه با آرايش مجدد ساختمان مولكولي آنها است. اين فرايند بستگي به يك كاتاليزگر دارد و به بازسازي كاتاليزگري (Catalytic Reforming) معروف است. توسط اين فرايند بنزين با اكتان پايين مي‌تواند به بنزين با اكتان خيلي بالاتر تبديل شود. گاهي پلاتين و گاهي نيكل‌آلومين به عنوان كاتاليزگر در اين فرايند بازسازي به كار مي‌رود.

ساخت كاتاليست جهت هيدروژناسيون انتخابي فنل به سيكلو هگزانون در فاز گازي

سيكلوهگزانون يك واسطه شيميائي بسيار مهم در صنعت مي‌باشد كه جهت توليد كاپرولاكتام براي نايلون 6 و آديپيك اسيد براي نايلون 66 كاربرد دارد. سيكلوهگزانون به صورت تجاري از دهيدروژناسيون سيكلوهگزانول تهيه مي‌شود كه براي اينكار از كاتاليستهاي مختلف مس استفاده مي‌شود خود سيكلوهگزانول نيز به طريق اكسيداسيون سيكلوهگزانول نيز به طريق اكسيداسيون سيكلوهگزان يا هيدروژناسيون فنل تهيه مي‌شود. به هر حال هيدروژناسيون تك مرحله‌اي فنل در فاز بخار به سيكلوهگزانون بسيار سودمندتر است چون باعث حذف مرحله گرماگير دهيدروژناسيون سيكلوهگزانول مي‌گردد. امروزه كاتاليستهاي دو فلزي و آلياژي جايگزين كاتاليستهاي تك فلزي شده‌اند زيرا باعث بهبود گزينش پذيري و افزايش فعاليت و همچنين طول عمر كاتاليست مي‌شود. كاتاليستهاي آلياژي پلاتين- كروم بر پايه كربن جهت هيدروژناسيون به سيكلوهگزانون با گزينش‌پذيري كامل مناسب تشخيص داده شده است. همچنين با استفاده از غشاهائي بر پايه پالاديم اين كار گزارش شده است.

با توجه به كارهاي انجام گرفته در مقالات كار را با ساخت كاتاليست آغاز كرديم كه پس از بهينه‌سازي شرايط از جمله دما و نسبت مولي هيدروژن به فنل و همچنين نوع حلال درصد تبديلي حدود 80% و گزينش‌پذيري نسبت به سيكلوهگزانون حدود 50% بدست آمد و مابقي محصول عمدتاً شامل سيكلوهگزانول بود. جهت ساخت كاتاليست‌هاي آلياژي پلاتين با عناصر ديگر نيز تلاشهاي زيادي انجام شد كه مناسبترين جواب با نشاندن پلاتين به ميزان 1% بر روي بدست آمد. سرانجام با نشاندن پالاديم بر روي آلومينا كه قبلاً با كربنات سديم قليائي شده بود بهترين جواب بدست آمد كه با درصد تبديلي حدود 50% و گزينش‌پذيري نسبت به سيكلوهگزانون حدود 96% همراه بود.

ساخت و ارزيابي كاتاليست‌هاي سه جانبه پالاديوم به منظور كنترل آلودگي ناشي از گازهاي خروجي از اگزوز اتومبيل‌ها

با افزايش روز افزون اتومبيل‌ها و كاميونها، مسئله آلودگي هواي ناشي از آنها نيز رشد افزاينده‌اي داشته است. امروزه از كاتاليست‌هاي سه جانبه (TWC) به منظور حذف گازهاي آلاينده ناشي از موتورهاي احتراق داخلي، استفاده مي‌شود. اين كاتاليست‌ها عمدتاً شامل پلاتين، روديوم و پالاديوم مي‌باشند. از ميان اين فلزات نجيب، روديوم بجهت فعاليت بالاي آن براي احيا اكسيدنيتروژن (NO) مورد استفاده قرار مي‌گيرد. پلاتين و پالاديوم نيز جهت تكميل فعاليت اكسيداسيون روديوم به كار گرفته مي‌شود. بدليل كمبود منابع و همچنين قيمت بالاي روديوم، پيدا كردن روش‌هايي براي كاهش استفاده آن و همچنين جايگزين كردن آن در كاتاليست‌هاي فوق با يك فلز مناسب، ضروري به نظر مي‌رسد. در حال حاضر، پالاديوم بعنوان جزء اصلي كاتاليست در نظر گرفته شده است و با استفاده از روش‌هاي آماري تاثير متغيرهاي مختلف مانند باريم، لانتانيوم، سريم، پالاديوم و دماي كسيناسيون بر روي فعاليت كاتاليستي مورد مطالعه قرار گرفته است.

كارهاي پژوهشي كه در پژوهشگاه صنعت نفت انجام گرفته است

از گاما- آلومينا با مساحت سطح بعنوان پايه استفاده شده است. به منظور اصلاح پايه از روش تلقيح همزمان توسط محلول نيترات باريم، لانتانيوم و سريم استفاده شده است. همچنين جهت نشان پالاديوم از محلول كلريدپالاديوم و روش تلقيح استفاده شده است. كاتاليست‌ها در دماي خشك شده و در دماي يا به مدت 6 ساعت كلسينه شده‌اند. از روش ICP براي اندازه‌گيري عناصر استفاده شده است. بر اساس يك روش طراحي آزمايش (Experimental Design)، هشت نوع كاتاليست با تركيب‌هاي مختلف تهيه گرديد. مساحت سطح و توزيع منافذ كاتاليست‌ها به روش BET اندازه‌گيري شده است.

كليه تست‌هاي راكتوري در فشار اتمسفري و در يك راكتور جرياني انجام گرفته است. دماي كاتاليست بوسيله يك ترموكوپل كه در بستر كاتاليست قرار دارد، كنترل مي‌گردد. مخلوط گازي مشابه‌سازي شده شامل اكسيژن، نيتريك اكسيد، كربن مونواكسيد، ئيدروژن، پروپيلن، بخارآب و نيتروژن مورد استفاده قرار گرفته است. جهت آناليز گازها در ورودي و خروجي راكتور از FTIR و گاز كروماتوگراف استفاده شده است. در كليه آزمايشات سرعت فضايي (Space Velocity) 48000 بر ساعت مي‌باشد. فعاليت كاتاليست به عنوان تابعي از دماي بستر كاتاليست‌ها اندازه‌گيري شده است. دماي بستر از تا تغيير مي‌كند. براي كليه كاتاليست‌ها، T50 (كه عبارت است از دمايي كه در آن دما ميزان تبديل براي كربن مونوكسيد، پروپيلن و نيتريك اكسيد به 50% مي‌رسد) اندازه‌گيري شده است.

همچنين فعاليت كاتاليست‌ها براي سيستم گازي NO-CO-O2 بعنوان تابعي از عدد استوكيومتري (S) مورد مطالعه قرار گرفته است.

نتايج:

1) پردازش داده‌ها براساس روش‌هاي آماري، نشان داد كه مقادير كم سريم، لانتانيوم و دماي كلسيناسيون و همچنين مقادير بالاي پالاديوم و باريم در ساخت كاتاليست‌ها موثر است.

2) نتايج نشان داد كه وجود لانتانيوم، احيا NO را در دماي زير كاتاليز مي‌كند.

3) نتايج تست پير شدگي (aging) كاتاليست‌ها در دماي و در حضور 10% بخارآب به مدت 6 ساعت، نشان داد كه اضافه كردن پروموترها به آلومينا باعث افزايش پايداري حرارتي كاتاليست‌ها شده است.

4) براي كاتاليست‌هاي اصلاح شده واكنش NO+CO در مقايسه با سرعت واكنش CO+O2 بيشتر مي‌باشد.

با توجه به اهميت روز افزون فرايندهاي كراكنيگ و همچنين اهميت پيش‌بيني توزيع محصولات از نقطه نظر ساختار مولكولي به دلايل زيست محيطي، تحقيقات گسترده‌اي در زمينه پيش‌بيني توزيع محصولات كراكنيگ از نظر مولكولها در دست انجام است. با توجه به هزينه بسيار زياد آن آزمايشهاي تجربي براي اين واكنشها و همچنين دشواري شناسائي توزيع انواع مولكولها در محصولات اهميت روشهايي كه به كمك آن با حداقل آزمايشهاي تجربي بتوان توضيع محصولات واكنشهاي شكست را بدست آورد روشن ميگردد. در اين خصوص روشهاي مختلفي ارائه شده است كه عموماً در مورد مولكولهاي كوچك قابل استفاده هستند. در اين مقاله به بيان روشهاي مناسب پرداخته خواهد شد كه بدون نياز به داده‌هاي تجربي امكان پيش‌بيني توضيع محصولات واكنشهاي شكست حرارتي براي انواع مولكولهاي خطي، شاخه‌دار، و همچنين با آروماتيك متصل به شاخه پارافيني مورد بحث قرار مي‌گيرد.

اهميت روزافزون فرايندهاي كراكنيك جهت تبديل انواع نفتها و ته‌مانده‌هاي سنگين نفتي به اجزاء سبكتر بر كسي پوشيده نيست. از سوي ديگر در سالهاي اخير نگرش جديدي در برخورد آشتي‌جويانه با طبيعت مطرح گرديده و بدنبال گسترش روز افزون مقوله توسعه پايدار، رويكرد جديدي در اغلب شاخه‌هاي علوم و مهندسي مطرح گرديده است. بطور مشخص از مهمترين پارامترهايي كه در سالهاي اخير بعنوان خط قرمز در توسعه فرايندهاي مختلف مورد توجه قرار داشته است، توليد هر چه كمتر مواد مضر به طبيعت يا سلامت انسان مي‌باشد. اين نگرش در شاخه‌هاي مختلف علوم و از جمله در صنايع نفتي نيز مطرح است و لذا در توسعه فرايندهايي نظير شكست مولكولي كه منجر به توليد مواد ميان تقطير مي‌گردد، كاهش هر چه بيشتر موادي نظير بنزن و همچنين افزايش هر چه بيشتر مواد شاخه‌دار در فرآورده‌هاي نظير بنزين موتور مورد توجه قرار گرفته است. به منظور دستيابي به اين هدف، كليد كار داشتن مدلهاي سينتيك مولكولي جهت پيش‌بيني دقيق انواع مولكولهاي حاصله از شكست نفت سنگين است.

يك برش نفتي واقعاً داراي هزاران مولكول و ايزومر مي‌باشد كه شناسائي كامل آنها بسيار دشوار است و در مورد ته‌ مانده‌هاي سنگين عملاً كاري نشدني مي‌باشد. بنابراين اولين مشكل در راه توسعه مدل سينتيكي براي نفت سنگين شناسائي يا معرفي مولكولهايي است كه بيانگر خصوصيات آن برش مي‌باشند. در اين مقاله با فرض در اختيار بودن معيني مولكول نمونه كه مشخص كننده كامل برش نفتي مورد نظر باشد، به دنبال بدست آوردن راهي براي پاسخ دادن به سوألات زير خواهيم بود:

1- مولكول مورد نظر با چه سرعتي خواهد شكست؟

2- توزيع محصولات حاصل از اين شكست چه خواهد بود؟

در ادامة بحث روشهاي عملي براي پاسخ دادن به اين سوألات مطرح خواهد گرديد. اين روشها با توجه به داده‌هاي تجربي و عمومي‌سازي آنها براساس سريهاي متشابه التركيب توسعه داده شده و لذا در زمان استفاده بدون نياز به داده‌هاي جديد تجربي امكان پيش‌بيني را فراهم مي‌نمايد.

برخي از مقالات مكانيسم واكنش را براي يك ماده مشخص به صورت كمي بررسي نموده‌اند. اين روش از دقت خوبي برخوردار است اما به دليل تنوع بسيار زياد مولكولهاي يك برش نفتي عملاً داده‌هاي كافي براي تمامي يا حداقل اغلب آنها وجود ندارد و اغلب داده‌هاي منتشر شده براي نرمال ستان مي‌باشد بنابراين اين طريقه جامعيت كافي نخواهد داشت.

برخي ديگر از محققين ثابت سرعت واكنش شكست باندهاي مختلف را براساس تغييرات باندهاي مختلف پيش‌بيني نموده‌اند. اين روش اگر چه از نظر ترموديناميكي از پشتوانه خوبي برخوردار است اما به دليل دشواري كاربرد آن براي مولكولهاي سنگين، كاربرد آن به مولكولهاي سبكتر محدود مي‌گردد.

روش جامعتري كه براي اين منظور توصيه مي‌گردد به قرار زير است:

1- براي مولكول مورد نظر مسير واكنشهاي مختلف راديكالي ك الف: جدا شدن هيدروژن و ب: شكستن از محل بتا مي‌باشد نوشته شود.

2- با توجه به نوع اتم كربن (اول، دوم و سوم) هر يك از ثابتهاي سرعت به وسيله روابط عمومي حاصل از تجربيات روي سريهاي متشابه التركيب بدست آمده، پوشانده شوند.

3- با نوشتن قانون بقاي جرم براي هر راديكال مشخص، نسبت پيشرفت واكنشهاي مختلف از شبكه واكنش ترسيم شده بدست آورده شود. بدين‌ترتيب يك واكنش كلي كه در سمت چپ آن مولكول اوليه مورد نظر و در سمت راست آن محصولات مختلف با نسبتهاي پيش‌بيني شده قرار دارد، حاصل خواهد شد

سپس:

4- با استفاده از روابط عمومي ارائه شده براي ثابت سرعت هيدروكربورها، ثابت سرعت شكست كلي براي معادله فوق‌الذكر حاصل مي‌گردد. اين روش براي مولكولهاي مختلف اعمال شده و پيش‌بيني روش با داده‌هاي تجربي مقايسه گردد كه از دقت خوبي برخوردار بوده است، بنابراين با كابرد اين روش براي تك‌تك مولكولهاي يك مخلوط نفتي مي‌تواند به صورت نظري توزيع محصولات را پيش‌بيني نمود.

كوپليمرهاي پيوندي با استفاده از پليمرها در پزشكي جهت انعقاد خون

هدف ما از اين تحقيق طرح‌ريزي و مطالعه خواص يك نوع پليمر بود كه بدون استفاده از مواد ضد انعقاد داراي سازگاري خوبي با خون باشد تا در مواردي كه پليمر در تماس طولاني با خون است بتواند مورد استفاده قرار گيرد.

استفاده از پليمرها در پزشكي، حتي در مواردي كه پليمر در تماس مستقيم با خون باشد. روز به روز در حال افزايش است. به عنوان مثال مي‌توان از كيسه‌هاي هيدروژناسيون روغنهاي نباتي كاتاليست مورد استفاده در صنايع روغنهاي نباتي به منظور هيدروژناسيون روغنهاي مايع، و تبديل آنها به روغنهاي جامد خوراكي، كاتاليست نيكل بر پايه آلومينا مي‌باشد. پس از مدتي كه از كاربرد كاتاليست نيكل در فرآيند هيدروژناسيون روغنهاي مايع گذشت، اين كاتاليست فعاليت خود را از دست مي‌دهد و در كارخانه انباشته مي‌گردد. بالا بودن قيمت كاتاليست نيكل در بازار جهاني محققين را بر آن داشته است تا مطالعاتي در خصوص بازسازي كاتاليست و ورود مجددد آن در سيكل هيدروژناسيون انجام دهند.

كاتاليست نيكل نو به صورت پودري مي‌باشد كه در داخل چربي يا روغن پخش شده است تا از تماس مستقيم با گازهاي موجود در هوا در امان بماند، سپس اين مخلوط به شكل گراتول در آورده شده است. در اين كاتاليست ذرات نيكل وسيله فرمات نيكل بر روي پودر آلومينا كه در يك چربي پخش شده است قرار مي‌گيرد.

لازم به ذكر است كاتاليست نيكل مورد استفاده در فرآيند رفرمينگ با بخار آب، بر روي پايه‌هاي سيلندري آلومينا با ابعاد حدود 5/2 سانتيمتر مي‌باشد كه اساساً در آن اكسيد نيكل بر پايه آلومينا قرار دارد و تفاوت اساسي با كاتاليست نيكل مورد استفاده در فرآيند هيدروژناسيون روغنهاي نباتي دارد. همچنين در كاتاليست هيدروژناسيون روغنهاي نباتي مي‌توان پايه‌هاي كاتاليستي ديگر مانند سيليكا و كربن فعال و نيز فلزات كاتاليستي ديگري مانند پالاديوم، مس و تركيبات كروم‌ بكار برد ولي از ديرباز نيكل به علت دارا بودن طبيعت خنثي در مقابل روغن و قيمت آن به عنوان كاتاليست بكار مي‌رفته است.

چربيها و روغنها نقش مهمي در رژيم غذايي انسان ايفا مي‌كنند و علاوه بر فراهم كردن كالري، به عنوان حامل ويتامينهايي مانند A، D، E، K عمل مي‌كنند. هدف از انجام هيدروژناسيون بر روي روغنهاي مايع عبارتند از:

1- بالا بردن نقطه ذوب روغن و يا تبديل روغن نباتي مايع به چربي شبه جامد

2- مقاومت در برابر فساد روغن (زيرا تركيبات غيراشباع در روغن كاهش مي‌بايد و در نتيجه سرعت واكنش با اكسيژن كم مي‌شود).

در رآكتور هيدروژناسيون روغنهاي نباتي مايع، سه فاز مايع، جامد و گاز حضور دارند. اسيد چرب (روغن مايع) و تركيبات ديگر موجود در آن فاز مايع، كاتاليست نيكل فاز جامد و هيدروژن فاز گاز را تشكيل مي‌دهند. اسيد چرب در اصل شامل يك زنجيره اتمهاي كربن است كه با هيدروژن تركيب شده‌اند و اين مجموعه به يك گروه كربوكسيل ختم مي‌شود:

: اسيد چرب

كاتاليست نيكل به طور گسترده در صنايع پتروشيمي، فولادسازي، و روغنهاي نباتي كاربرد دارد. در صنايع روغنهاي نباتي، واكنش هيدروژناسيون (Hydrogenation) روغنهاي مايع را در حضور كاتاليست نيكل انجام مي‌دهند تا روغن جامد دست آيد و در نتيجه طول عمر روغن افزايش يافته و فسادپذيري آن كاهش يابد.

پس از مدتي كه كاتاليست نيكل در هيدروژناسيون روغنهاي نباتي مورد استفاده قرار گرفت، اكتيويته خود را از دست مي‌دهد و به اصطلاح «غيرفعال» (Deactivate) مي‌شود. كه نياز به بازسازي، جهت استفاده مجدد آن ضرورت پيدا مي‌كند. در حال حاضر بازسازي و يا ساخت مجدد كاتاليست نيكل در داخل كشور جنبه علمي و عملي لازم را پيدا نكرده است و هر ساله ارز زيادي جهت خريد كاتاليست تازه از كشور خارج مي‌شود.

به منظور ساخت كاتاليست نيكل تازه بايد فرمات نيكل را در دماي 200 تا 250 درجه سانتيگراد بر روي پايه آلومينا كاهش داد و به نيكل تبديل كرد. فرمات نيكل را مي‌توان با انجام واكنشهاي شيميايي بر روي تركيبات نيكل موجود در كاتاليست نيكل غيرفعال كه در دماي مناسب مورد كربن‌زدايي قرار مي‌گيرد بدست آورد، هر چند اين روش بايد از نظر اقتصادي مورد ارزيابي دقيق قرار گيرد.

در اين پروژه كربن‌زدايي از كاتاليست غيرفعال مورد بررسي قرار گرفته و از طريق گازيفيكاسيون، تركيبات كربني موجود بر روي كاتاليست در حضور اكسيژن هوا به مونوكسيد كربن تبديل شده و از صحنه عمل خارج مي‌گردد. آزمايشات نشان مي‌دهد در حدود 5/44 درصد وزني كاتاليست را تركيبات كربني و ناخالصيهاي باقيمانده در كاتاليست تشكيل مي‌دهند. در روش گاز يفيكاسيون دماي بهينه كربن‌زدايي 400 درجه سانتيگراد رآورده شده است. همچنين به دليل توليد دود زياد حاصل از اكسيداسيون تركيبات كربني باقيمانده در كاتاليست، در مرحله ديگري از آزمايشات ابتدا اين تركيبات كربني توسط حلال- نتراكلريد كربن، استخراج شده و پس از صاف و خشك كردن كاتاليست بر جاي مانده، نمونه‌هاي مختلف مورد گاز يفيكاسيون قرار گرفته است. در اين مرحله از آزمايشات 23 درصد وزني كاتاليست غيرفعال را كه تركيبات كربني سبك تشكيل مي‌‌دهند توسط حلال و 21 درصد وزني كاتاليست غيرفعال را كه ديگر تركيبات كربني تشكيل مي‌دهند توسط گازيفيكاسيون از كاتاليست زدوده مي‌گردد.

در اين واكنش تركيبات كربن‌دار موجود بر روي نقاط حساس كاتاليست (Ni)، يا گاز اكسيژن واكنش داده و به مونواكسيدكربن و دي‌اكسيدكربن و گازهاي ديگري از قبيل تبديل مي‌گردد. بنابراين بايد كاتاليست غيرفعال شده را در حضور اكسيژن (هوا) و در شرايط واكنشي فوق قرار دهيم تا كربن به گاز تبديل شده و از صحنه عمل خارج گردد. فشار واكنش فوق اتمسفريك مي‌باشد و انجام واكنش در يك راكتور Batch پيش‌بيني مي‌گردد. همچنين مي‌توان تركيبات كربني را با استفاده از يك حلال مناسب از كاتاليست استخراج نمود.

به منظور زدودن تركيبات كربني موجود بر روي كاتاليست نيكل غيرفعال، آزمايشات به دور روش زير انجام گرفتند:

الف- كربن‌زدايي به روش گازيفيكاسيون

ب- كربن‌زدايي به روش استخراج توسط حلال و گازيفيكاسيون

الف- كربن‌زدايي به روش گازيفيكاسيون

به منظور تعيين دماي بهينه جهت كربن‌زدايي به طريق گازيفيكاسيون، ابتدا 2 گرم از نمونه (كاتاليست غيرفعال) را به دقت وزن كرده و در راكتور Batch آزمايشگاهي مي‌ريزيم. سپس رآكتور را به داخل كوره گذاشته و دماي كوره را با شدت بالا مي‌بريم.

در مراحل مختلف، نمونه‌اي جديد را در داخل كوره قرار داده و دما را براي هر نمونه 130، 200، 250، 300، 350، 400، 450، 500، 700 درجه سانتيگراد مي‌رسانيم. نمونه را در مدت زمان كافي (حدود 1 ساعت) در داخل كوره نگه داشته و سپس كوره الكتريكي را قطع مي‌نماييم و دماي رآكتور را تا دماي محيط پايين مي‌آوريم.

با توزين نمونه كربن‌زدايي شده و بدست آوردن اختلاف وزني آن با نمونه اصلي، وزن تركيبات كربني تبديل شده به بدست مي‌آيد. با رسم منحني C% تبديل شده بر حسب دما، و يا منحني C% باقيمانده در كاتاليست بر حسب دما، دماي بهينه برآورده مي‌شود.

هيدروژن و پيوندهاي غيراشباع اسيد چرب،‌ به سرعت بر روي كاتاليست نيكل با يكديگر واكنش مي‌دهند و در نتيجه پيوندهاي غيراشباع با گرفتن هيدروژن اشباع مي‌گردند. واكنش هيدروژناسيون روغنهاي نباتي گرمازا مي‌باشد و انرژي خالص آزاد شده براي يك واحد به اندازه‌اي است كه درجه حرارت روغن را تقريباً 7/1 درجه سانتيگراد افزايش دهد كه البته اين افزايش بستگي به ظرفيت حرارتي مخصوص روغن نيز دارد.

اساس فرآيند هيدروژناسيون چنين است كه روغن يا چربي غيرتابع اشباع، كاتاليزگر و هيدروژن را در كنار يكديگر قرار مي‌دهيم و تحت اين شرايط، هيدروژن با روغن تركيب مي‌شود. محصول يك چنين فرآيندي يك چربي شبه جامد است.

دلايل آلودگي كاتاليست نيكل در هيدروژناسيون روغنهاي نباتي:

كاتاليستها به دلايل مختلفي از قبيل مسموميت (Poisoning)، كلوخه شدن (Sintering)، كك گرفتگي (Fouling) و از دست دادن عامل فعال (Vapor Transport) به تدريج فعاليت خود را از دست مي‌دهند. كاتاليست نيكل داراي نقطه ذوب مي‌باشد و به علت اينكه كلوخه شدن معمولاً در درجه حرارت حدود تا نقطه ذوب اتفاق مي‌افتد و دماي رآكتور هيدروژناسيون از 200 درجه سانتيگراد كمتر مي‌باشد احتمال كلوخه شدن كاتاليست نيكل اندك است.

عامل اصلي غيرفعال شدن كاتاليستهاي نيكل در فرآيند هيدروژناسيون روشهاي نباتي وجود ناخالصيهاي موجود در روغن خام مي‌باشد. اين ناخالصيها هر چند قبل از فرآيند هيدروژناسيون طي مراحل مختلفي از قبيل صمغ‌گيري، خنثي كردن، رنگيري و بي‌بو كردن از چربيها و روغنها جدا مي‌شوند ولي در عين حال مقادير جزئي باقيمانده، در دراز مدت بر روي كاتاليست رسوب كرده و آنرا به تدريج غيرفعال مي‌سازد.

از جمله ناخالصيهاي موجود در روغن قبل از هيدروژناسيون مي‌توان به موارد زير بيان نمود:

فسفاتيدها يا موسيلاژها، مقادير جزئي صابون باقيمانده از مرحله خنثي‌سازي، مواد جامد و يا خرده‌هاي دانه‌هاي روغني كه از واحدهاي استخراجي كه به تجهيزات فيلتراسيون مناسب مجهز نشده‌اند خارج مي‌شود، مقادير جزئي فلزات و مواد معدني مانند مس، آهن، منگنز و فسفر، مواد فرار مانند رطوبت و حلال،‌ پيگمان‌ها يا مواد رنگي، موم‌ها و مواد غيرقابل صابوني شدن و مواد معطر، همچنين ممكن است عامل فعال نيكل بدليل تشكيل تركيباتي نظير سطح كاتاليست را ترك كند و اين امر نيز باعث افت فعاليت كاتاليست گردد.

كربن‌زدايي به روش استخراج توسط حلال و گازيفيكاسيون

مشاهدات موجود نشان مي‌دهد كه به علت وجود مقدار زيادي از تركيبات كربني در كاتاليست غيرفعال (5/44 درصد)، در دماي بالاتر از 300 درجه سانتيگراد اين تركيبات توليد دود غليطي مي‌نمايند.

به منظور رفع اين معضل تا حد ممكن، كاتاليست غيرفعال توسط حلال تتراكلريد كربن آغشته گرديده و پس از 15 دقيقه مخلوط حاصل از صافي عبور داده شد. پس از آن كاتاليست در آون خشك گرديده و سپس در دماهاي 200، 400، 500 و 700 درجه سانتيگراد در كوره الكتريكي و در حضور اكسيژن (هوا) كربن‌زدايي شد.

نتايج آزمايشات فوق را مي‌توان به صورت زير بيان نمود:

1- در روش گازيفيكاسيون تبديل تركيبات كربني به تا 200 درجه سانتيگراد خيلي اندك است و از 200 تا 250 درجه سانتيگراد تبديلات شروع شده و در 300 درجه سانتيگراد به سرعت آن افزوده مي‌گردد، در حاليكه با استخراج تركيبات سبك توسط حلال تبديل تركيبات كربني سنگين به گاز در دماي بين 350 تا 400 درجه سانتيگراد صورت مي‌گيرد.

2- بين دماي 250 تا 400 درجه سانتيگراد شيب منحني درصد كربن تبديل شده نسبت به دما خيلي تند است و از 400 تا 550 درجه سانتيگراد شيب منحني فوق‌الذكر رفته رفته كم مي‌شود.

3- دماي بهينه gasification برابر با 400 درجه سانتيگراد مي‌باشد.

4- حداكثر ميزان تركيبات كربني موجود در كاتاليست 5/44 درصد وزني مي‌باشد.

5- جهت از بين بردن دود غليظ ناشي از تبديل تركيبات كربني سبك و سنگين موجود در كاتاليست، استخراج روغن توسط حلال قبل از عمل گازيفيكاسيون روش مناسبي مي‌باشد.

6- ميزان تركيبات كربني سبك موجود در كاتاليست غيرفعال 24/23 درصد وزني و ميزان تركيبات كربني سنگين موجود در آن برابر با 23/21 درصد وزني مي‌باشد.

ساخت نوهي كاتاليزگر نفتي با استفاده از فن‌آوري نانو

ساخت نوعي كاتاليزگر نفتي جديد با استفاده از فن‌آوري نانو يك شركت توسعه دهنده نانو مواد، فرآيندها و تجهيزات پالايشي جديد براي استفاده در بخش انرژي‌هاي جايگزين و انرژي‌هاي موجود،‌ از نتايج موفقيت‌آميز آزمايش مستقل محصول شركت Refinery science با نام تجاري Nano-cat خبر داد. محققان آزمايش‌هايي را براي افزايش‌ درجه خلوص نمونه‌هايي از محصول Cold Lake Bitumen با استفاده از Nano-cat در يك راكتور ويژه با كاربرد خاص

کاتالیزگر

مطالب مشابه :

المپیاد شیمی 1-پاسخ به سوالات-اندر باب لینکیدن وبلاگ ها

برنامه ریزی و آماده شدن برای المپیاد شیمی

المپیاد شیمی

برای دانش آموزان سال اول دبیرستان

همه چیز درباره ی اتم

عناوین جدید کتاب

ساختار ماده

کاتالیزگر