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比表面積

       在多相催化反應(yīng)中，由于催化劑表面參與催化反應(yīng)過(guò)程，在大多數(shù)情況下，催化活性與催化劑的表面積有很大關(guān)系。為獲得較高活性，常將催化劑制成高度分散的固體，為反應(yīng)提供巨大的表面積。

       1g催化劑所具有的總表面積稱為該催化劑的總比表面積，簡(jiǎn)稱比表面積。而1g 活性組分具有的表面積稱為活性組分比表面積。多組分固體催化劑由于具有極大的內(nèi)表面積，這些內(nèi)表面是在催化劑孔內(nèi)，當(dāng)由細(xì)孔組成時(shí)，表面積雖大，但反應(yīng)物分子向孔內(nèi)擴(kuò)散卻發(fā)生困難，催化反應(yīng)會(huì)受到阻滯，這時(shí)不是所有表面都能起催化作用，而只有一部分對(duì)催化作用有效，這一部分表面就稱作有效表面。當(dāng)催化劑是非孔性時(shí)，它的表面可看成是外表面；當(dāng)催化劑是多孔性時(shí)，其表面可分為內(nèi)表面及外表面。內(nèi)表面是指它的細(xì)孔內(nèi)壁，孔徑越小，孔越發(fā)達(dá)，內(nèi)表面積也就越大，總表面積主要由細(xì)孔內(nèi)表面所提供，外表面積則可略去不計(jì)。

       顯然，要想提高催化劑的活性，必須選擇這樣的制備方法，使催化劑具有最大的有效表面。而如何測(cè)定有效表面是催化領(lǐng)域中研究的重要課題之一，因?yàn)橥ǔy(cè)定比表面積的方法只能獲得總表面積。有效表面與總表面的差別主要是由于分子在多孔系統(tǒng)中擴(kuò)散困難引起的。因此，有效表面和多孔性這兩種因素是互相聯(lián)系的，只有密實(shí)的固體催化劑，有效表面與總表面才大致相等。

        在實(shí)際催化劑制備中，有少數(shù)催化劑，它們的表面積是極其均勻的，所有的吸附中心是等價(jià)的。這樣的催化劑，它的活性與表面積直接成正比。例如用鉻鋁催化劑進(jìn)行丁烷脫氫時(shí)，其反應(yīng)速率與催化劑比表面積幾乎成直線關(guān)系。而這種現(xiàn)象并不普遍，其主要原因之一，就在于多孔性催化劑的表面積絕大部分是內(nèi)表面，孔的結(jié)構(gòu)不同，物質(zhì)傳遞及擴(kuò)散作用也會(huì)不同，這樣必然會(huì)影響表面利用率，從而改變總的反應(yīng)速率。

       反應(yīng)物分子在被表面吸附之前，必須穿過(guò)催化劑內(nèi)的細(xì)孔，因此，催化劑孔內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程對(duì)反應(yīng)行為有著決定性的影響。反應(yīng)物分子通過(guò)層流邊界層進(jìn)入孔道內(nèi)時(shí)，在孔道內(nèi)的擴(kuò)散與在孔壁上的化學(xué)反應(yīng)為平行的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程，如內(nèi)擴(kuò)散慢而反應(yīng)快，則反應(yīng)物還未達(dá)到細(xì)孔深處就被完全反應(yīng)掉，這時(shí)內(nèi)表面沒(méi)有充分被利用。催化劑內(nèi)表面的利用程度稱為內(nèi)表面利用率，或稱多孔催化劑的有效因子。

       如催化劑顆粒直徑很小，內(nèi)擴(kuò)散路徑很短，對(duì)反應(yīng)過(guò)程的影響可忽略不計(jì)，內(nèi)表面得到充分利用，這時(shí)的反應(yīng)速率最大，用ω0 表示。因考慮到床層的壓降等原因，而實(shí)際使用的催化劑顆粒都有一定的尺寸，因而內(nèi)擴(kuò)散影響不可能完全消除，用ω代表有擴(kuò)散影響的反應(yīng)速率，于是可用下式表示內(nèi)表面利用率η；

 

                                                                  (1-20)

 

      η值越大，內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng)越小，表明內(nèi)表面利用率越高。當(dāng)顆粒的內(nèi)外表面都一樣充分利用時(shí)， ω=ω0 ,則η=1。一般情況下， ω<ω0  即η<1。因此，有內(nèi)擴(kuò)散影響的反應(yīng)速率ω可寫成

ω=ηω0                            (1-21)

      無(wú)內(nèi)擴(kuò)散影響的反應(yīng)速率可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由于催化劑是多孔性物質(zhì)，內(nèi)擴(kuò)散阻力不可避免，外擴(kuò)散阻力?？珊雎圆挥?jì)。因此，可將內(nèi)擴(kuò)散阻力對(duì)反應(yīng)速率的影響作為計(jì)算催化劑內(nèi)表面利用率的依據(jù)。作為參考，表1-12示出了一些催化劑顆粒內(nèi)表面利用率測(cè)定值。

表1-12 催化劑顆粒內(nèi)表面利用率測(cè)定值示例

催化劑	反應(yīng)	反應(yīng)條件	催化劑粒徑／mm	表面利用率nη
硅酸鋁	汽油裂解	480℃，常壓	4.4	0.55
硅酸鋁	異丙基苯分解	510℃，常壓	0.45	0.72
			3.3	0.16
			4.3	0.12
			5.3	0.09
鉻／氧化鋁	環(huán)己烷脫氫	478℃，常壓	6.2 3.7	0.48 0.65
鐵／氧化鋁 （含Al2O310.2%)	氨分解	387～467℃，常壓	（10～14）目～ （35～40）目	1.0
鐵／Al2O3	氨合成	450~550℃,10~60MPa	5.0	>0.8
鐵催化劑 （含2.9％Al2O3，1.1%K20)	氨合成	450℃，常壓 325℃，常壓 500℃，3Mpa 400℃，3MPa	2.4~2.8	0.05
			0.5~0.7	0.36
			2.4~2.8	0.78
			0.5~0.7	1.0
			2.4~2.8	0.40
			0.5~0.7	0.89
			2.4~2.8	0.95~1.0
			0.5~0.7	1.0
硅酸鋁	乙醇、正丙醇、 正丁醇脫水	260℃，常壓 320℃，常壓	5.0	0.15
			2.3	0.24
			0.4	0.98
			5.0	0.10
			2.3	0.16
			0.4	0.90
鉻／氧化鋁	丁烷脫氫	530℃	3.2	0.70
鎳催化劑	CO2+H2	142℃	4.0	1.0
		300℃	4.0	0.1
錦(5%)/γ-Al2O3	氫交換反應(yīng)	-196℃ 0.6~1.0MPa	4.0	0.43-0.45
鎳/氧化鋁	乙烯加氫	80~140℃	2.0~5.0	<0.5
ZnO-r2O3	CO+2H2→CH3OH	330~410℃ 28MPa	5x16	0.52~0.96
陽(yáng)離子交換樹脂	甲酸乙酯水解	25℃稀溶液	0.7	0.62

 

      催化劑活性與比表面積的關(guān)系還可用下述實(shí)例加以說(shuō)明，圖1-14是使用V2O5-K2SO4-SiO2 催化劑進(jìn)行萘的氣相氧化合成苯酐時(shí)，苯酐收率與比表面積的關(guān)系。從圖中可以看出，使用比表面積大的催化劑時(shí)，最佳反應(yīng)溫度有隨之降低的趨勢(shì)。由于抑制了副反應(yīng)，苯酐收率有所提高。

      應(yīng)該指出，在催化劑制備時(shí)，通過(guò)一定的方法增加比表面積時(shí)，往往也會(huì)伴隨著比表面積的增大而生成許多細(xì)孔。而要提高催化劑活性，不僅要追求總比表面積，而且還要有適合反應(yīng)物分子進(jìn)行吸附、擴(kuò)散、脫附的孔道結(jié)構(gòu)，以使反應(yīng)物分子和產(chǎn)物分子有自由出入的孔道。

      測(cè)定催化劑比表面積的方法很多，如氣體吸附法、X射線小角度衍射法、電子顯微鏡法等，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，不同的樣品可采用不同的方法測(cè)定。常用的方法是吸附法，它又可分為化學(xué)吸附法及物理吸附法。化學(xué)吸附法是通過(guò)吸附質(zhì)對(duì)多組分固體催化劑進(jìn)行選擇吸附而測(cè)定各組分的表面積;物理吸附法是通過(guò)吸附質(zhì)對(duì)多孔物質(zhì)進(jìn)行非選擇性吸附來(lái)測(cè)定比表面積，它又分為BET法及氣相色譜法兩類。其中 BET法是依據(jù) Brunauer、Emmett 及Teller 三人于 1938 年提出的多分子層吸附模型，并導(dǎo)出與之相應(yīng)的吸附等溫線方程，稱為BET公式，用于比表面積的測(cè)定。是目前用于測(cè)定多孔固體比表面積的常用方法。

 

-----8m2/g;--15 m2/g;-x-24 m2/g

圖1-14比表面積和苯酐收率的關(guān)系

 

產(chǎn)品展示

產(chǎn)品詳情：

      SSC-CTR900 催化高溫反應(yīng)儀適用于常規(guī)高溫高壓催化反應(yīng)、光熱協(xié)同化、催化劑的評(píng)價(jià)及篩選、可做光催化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)歷程等方面的研究。主要應(yīng)用到高溫高壓光熱催化反應(yīng)，光熱協(xié)同催化，具體可用于半導(dǎo)體材料的合成燒結(jié)、催化劑材料的制備、催化劑材料的活性評(píng)價(jià)、光解水制氫、光解水制氧、二氧化碳還原、氣相光催化、甲醛乙醛氣體的光催化降解、苯系物的降解分析、VOCs、NOx、SOx、固氮等領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)氣固液多相體系催化反應(yīng)，氣固高溫高壓的催化反應(yīng)，滿足大多數(shù)催化劑的評(píng)價(jià)需求。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：

SSC-CTR900催化高溫反應(yīng)儀的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

1)高溫高壓催化反應(yīng)儀可實(shí)現(xiàn)催化高溫<900℃C高壓<10MPa反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

2)紫外、可見(jiàn)、紅外等光源照射到催化劑材料的表面，實(shí)現(xiàn)光熱協(xié)同和光誘導(dǎo)催化;

3)光熱催化反應(yīng)器采用高透光石英玻璃管，也可以采用高壓反應(yīng)管，兼容≤30mm 反應(yīng)管;

4)可以實(shí)現(xiàn)氣氛保護(hù)、抽取真空、PECVD、多種氣體流量控制等功能;

5)可以外接鼓泡配氣、背壓閥、氣液分離器、氣相色譜等，實(shí)現(xiàn)各種功能的擴(kuò)展;

6) 采取模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)光源、高溫反應(yīng)爐、高溫石英反應(yīng)器、高真空、固定床反應(yīng)、

光熱反應(yīng)等匹配使用;

7) 高溫高壓催化反應(yīng)儀，小的占地面積，可多功能靈活，即買即用。