催化剂载体

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1、7北京科技大学选修课催化与环境材料班级：冶金 0603 姓名：田 蜜 学号：406210682009年6月9日催化剂载体的物理性质及物理性质对活性的影响催化剂 catalyst carrier又称担体( support ),是负 载型催化剂的组成之一。催化 活性组分担载在载体表 面上，载体主要用于支 持活性组分，使催化剂具有特定的物 理性状，而载体本身一般 并不具有催化 活性。多数载体是催化剂工业中的产品，常用 的有氧化铝载体、硅胶载 体、活性炭载 体及某些天然产物如浮石、 硅藻土等。常用 “活性组分名 称-载体名称 ” 来表明负载型 催化剂的组成,如加氢用的镍-氧化铝催化剂、氧化用的氧化 钒

2、-硅藻土催 化剂。载体能使制成 的催化剂具有合适的形状、尺寸和机械强度，以符合工 业反应器的 操作要求；载 体可使活性组分分散在载体表面 上,获得较高的比表 面积 ,提高单位质 量 活性组分的催 化效率。如将铂负载于活性炭上。若用分子筛 为载体，铂可达到接近于 原子级的分散 度。载体还可阻止活性组分在使 用过程中烧结，提高催化剂的 耐热性。 对于某些强放 热反应，载体使催化剂中的活性 组分稀释，以满足热平衡要求 ;良好热 导率的载体， 如金属、碳化硅等 ,有助于移去反应热，避免催化剂 表面局部过热。载 体又可将某些 原来用于均相反应中的催化剂负 载于固体载体上制成固体催化 剂，如磷 酸吸附在硅

3、藻 土中制成的固体酸催化剂，酶负载在 载体上制成的固定化酶。催化剂载体的物理性质1. 粒径及粒度分布(1) 单个颗粒的粒度 粉末颗粒虽然具有各种形状及大小，而用于载体的粉末颗粒的粒径，小的可以为几微 米，大的可达到几毫米。对于单个球形颗粒来说，用其直径就能精确表示出它的体积和外表 面积，对于各种大小粒子组成的粉末，通常用平均粒径来表示。载体大都是片状、柱状或不规则的形状，为了表示这种非球形颗粒的大小，就采用当 量直径来表示。当量直径把与非球形颗粒相等的圆球的直径作为非球形颗粒的当量直径。(2) 粒度分布及平均直径 通常将粉末颗粒的大小称作粒度，对于粉末体而言，粒度是指粉末颗粒的平均大小。 实际

4、上，一种粉末总不会是同一粒度的，而是处于一定的粒度范围内。粉末粒度的测定方法 有多种，其中以筛分法、显微镜法及沉淀法使用最多。2 固体颗粒的自然堆角和内摩擦角 粉末的流动性对于筛分、混合及成型等操作过程都是很重要的影响因素，为了表征这种 固体颗粒在堆放和流动时某些特性，需要引入自然堆角和内摩擦角的概念。(1)自然堆角把固体颗粒在水平板上自然堆放成堆，颗粒的棱线与水平板的夹角称为自然堆角，有时 也称安息角或休止角。自然堆角的大小取决于颗粒之间滑动或滚动的摩擦阻力，也与颗粒的 晶型有关，且随固体颗粒流动性的增加而减少。（2）内摩擦角 它是固体颗粒层内静止的颗粒层和与沿着静止颗粒层移动的颗粒群相平衡

5、的界面间的 夹角3 密度 粉末的密度是单位体积内含有的粉末质量，质量通常用重量来代替。 一般情况下，粉末的主要容积特性是松密度及摇实体积。松密度就是松散装填的粉末单 位体积的重量。而摇实体积就是用振动的方法使粉末密实后，一定数量的粉末所占用的最小 体积。4 空隙率 固体粉末颗粒与颗粒之间的空隙体积与堆积体和之比。 粒度大小不一的粉末粒度进行填充时，由于小颗粒的粉末进到大颗粒的空隙中，空隙 就相应减少，粗粒子的比例为 65%左右时，空隙率最小。5 多孔颗粒的孔结构 多孔性载体物质通常是由微小晶粒或胶体凝集而成的，内部含有大小不一的微孔。载体 的孔结构不同，制得的催化剂比表面积也不同，并直接影响到

6、反应速度的改变，这是因为孔 结构不同，反应物在孔中的扩散情况及表面利用率都会发生改变，从而影响反应速度。载体 的孔结构对催化剂的选择性、寿命和机械强度也有很大影响。（1）孔隙率 孔隙率是指颗粒的内孔而言。 将单位质量粉末颗粒内部的微孔体积称作为孔体积。孔隙率的大小决定着孔径和比表面积的大小。孔隙率的增加有时有利于提高催化剂的活 性，但机械强度因之降低，因此，需要综合考虑。（2） 孔分布 要知道载体的孔对催化剂活性的影响，除了需要比孔体积及平均孔径的数据以外，还应 知道载体的孔体积分布。孔体积分布指孔体积按孔径大小而变化的情况，由此来决定粉末颗粒中所包含的大孔、 过渡孔及微孔的数量。6 比表面积

7、 一克粉末颗粒所具有的总表面积常称为该粉末的总比表面积，简称比表面积。 多孔性固体颗粒由于具有极大的内表面积，而且这些内表面蕴藏在孔径内，如果为细孔，这时表面积虽大，但用它作催化剂载体时，就会阻碍反应物分子向孔内扩散，影响反应的进 行，这样就不是所有表面都起催化作用，而只有一部分对催化作用有效。通常将这部分表面 称为有效面积。催化剂载体的物理性质对催化活性的影响催化剂的物理结构对催化反应的影响催化剂上的反应速率： r r S fsgr是催化剂单位表面上的反应速率（比活性）；S为催化剂的比表面；f为催化剂的内表面利Sg用率。工业催化剂在较高温度下，比活性r取决于催化剂的化学组成，是一个常数，因此

8、对一定化 S学组成的催化剂其活性取决于S和f。g催化剂的形状选择19善种傩化剂的形状或型图原料片lOmmf1圧片肌1楼肃jQ-3UTnnt更片机01球球o逍杭机晦糊m.m-.CEZ)挤州机C1520) mm2- IdftjnX flUECO m:iL挤出机球固琏廉、彩前械0. 5-5Tnmo%小球喩霁干蝶机眛装&口团杭无閻目ti.J团粒工业装置中必须选择一定外形的固体催化剂，使压力降下降，又必须保持较高的有效表面积。一般当颗粒的直径增加，压力将下降，但同时可能降低表面积。1、催化剂的微孔结构和比表面对催化性能的影响 一般而言，催化剂表面积越大活性越高，但催化活性和表面积常常不能成正比关系。 但

9、并非在任何情况下催化剂的表面积越大越好，如对于催化氧化强放热反应，表面积越大单 位时间放热越多，使反应装置中的热平衡遭到破坏；表面积越大也意味着孔径小，细孔多， 这样不利于内扩散过程。因此对于选择性氧化反应，为了便于反应物分子和生成物分子的扩 散，以避免深度氧化，应控制催化剂的比表面，选择一些中等比表面或低比表面的催化剂或 催化剂载体。2、孔结构的选择原则1）对于加压反应一般选用单孔分布的孔结构，其孔径d在九10九间选择。对要求高活性来说 d应尽量趋于九，但在活性允许的情况下考虑到热稳定性则应尽量使d尽量趋于10九2）常压反应一般选用双孔分布的孔结构。小孔孔径在九九/10之间，单从活性看小孔孔

10、径尽 量趋于X/10,但这时表面效率降低。而大孔孔径为使扩散受孔壁阻力最小，应选=10九的 孔。3）在有内扩散阻力存在的情况下，催化剂的孔结构对复杂体系反应的选择性有直接的影响。 对于独立进行或者平行的反应，主反应速率越快，级数越高，内扩散使效率因子降低越大， 对选择性越不利。在这种情况下，为提高催化剂的选择性应采取打孔结构的催化剂。对于连 串反应如果目的产物是中间产物，那么深入到微孔中去的扩散只会增加它进一步反应掉的机 会，从而降低反应选择性，也应采用大孔结构催化剂。4）从目前使用的多数载体来看，孔结构的热稳定性大致范围是：010nm的微孔在500OC以下;1020nm的过渡孔在500弋80

11、0弋；而20nm以上的大孔在800弋是稳定的。感想在现代石油化工及化学工业中，90%以上的化学反应是通过催化剂实现的。新能源开发 资源综合利用、环境污染整治、新工艺技术的开发都离不开催化剂和催化技术。催化技术与 催化科学已成为当代石油化工和化学工业的基石与支柱，催化科学已成为化学学科的前沿领 域。我国催化剂的研制，在解放前还是空白，随着石油化工的发展，经过几十年的努力，催 化剂的研制及生产都取得了很大的成就。许多催化剂已实现了自给，部分催化剂还出口国外。催化剂的品种及数量很多，无论是炼油、石油化工或精细化工所使用的固体催化剂，都 需要载体，载体的性能对催化剂活性、选择性、传热与传质性能，以及使用寿命和降低生产 成本等都有很大影响；而且，载体在整个催化剂的研制开发中，往往又是费时及技术难度较 大的一个环节。选择和制备出一种好的载体往往需要有很多方面的知识。通过催化与环境材料这门课，我对催化剂的知识有了更加深入的认识，收获颇多， 谢谢老师！