bài giảng động học xúc tác đầy đủ

1
ĐỘNG HỌC XÚC TÁC
8/30/2012 Động học Xúc tác
Giảng viên: DIỆP KHANH
8/30/2012 Động học Xúc tác 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.
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
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
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.
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.
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

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
).
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 luân chuyển (turnover time),
thời gian cần thiết để tạo thành một phân tử sản phẩm
(giây, sec).
TOR = Tốc độ luân chuyển (Turnover rate) = TOF X
Diện tích bề mặt.
TON= TOF X Tổng thời gian phản ứng. TON = 1 (
stoichiometry); Trong công nghiệp thì TON >100 mới
thỏa mãn yêu 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 
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
Nhân tố môi trường (E-factor)
• Ngày nay, để đánh giá tính thân thiện với môi trường của chất xúc
tác thì người ta còn ràng buộc thêm một đặc điểm đối với chất xúc
tác, đó là: E-factor.
• E-factor càng nhỏ thì Chất xúc tác, quá trình chuyển hóa được sử
dụng càng “XANH”
8/30/2012 Động học Xúc tác 21
Waste(kg)
DesiredProduct(kg)
factor
E 
Atomic Utilization (AU)
8/30/2012 Động học Xúc tác 22
Classical Route to Nicotinic Acid (Lonza AG,Switzerland)
8/30/2012 Động học Xúc tác 23
Modern Catalytic Route to Niacinamide (Lonza Guangzhou)
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 phụ trợ.

Ví dụ: một hệ xúc tác dị thể thường có:
8/30/2012 Động học Xúc tác 24
Thành phần của chất xúc tác
Pha hoạt động
(Active component)
• Chức năng: Hoạt tính hóa học.
• Loại: Kim loại, Các oxít bán dẫn và
các sulfide, Các oxítcách điện và các
sulfide
• Chức năng: có diện tích bề mặt
cao, có mao quản và độ xốp lớn,
có độ bền nhiệt và cơ học cao,
có các tâm hoạt động và có khả
năng biến tính pha hoạt động.
• Loại: Các oxít Kim loại, Alumino -
Silicate tinh thể, Khoán sét và
Cácbon
• Chức năng:
a) Đối với giá mang: sắp xếp và ổn
định cấu trúc, ức chế hoạt
động, Xúc tiến hoạt tính.
b) Đối với pha hoạt động: Chống
ngộ độc, tăng độ phân tán, tăng
hiệu ứng điện tử và giảm sự kết
tụ (kết khối)