Xuc tac chuyen pha hóa lý

ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU

XÚC TÁC CHUYỂN PHA
Giảng viên: Diệp Khanh
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


XÚC TÁC CHUYỂN PHA
(Phase Transfer Catalysis – PTC)
Khi phản ứng xảy ra trên bề mặt phân cách hai
pha lỏng không trộn lẫn tốc độ thường rất chậm,
đây là trường hợp phản ứng chuyển pha. Tốc độ
chậm là do nồng độ chất phản ứng trong pha này
thường rất thấp so với trong pha kia. Ðể tăng tốc
phản ứng trong trường hợp này xúc tác cần có
khả năng chuyển chất phản ứng từ pha này sang
pha kia. Ðây là trường hợp xúc tác chuyển pha.
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


PTC không những xúc tác cho các
phản ứng giữa các chất chỉ tan trong
một trong hai pha dung môi không trộn
lẫn (pha hữu cơ và pha nước), nó còn
tăng độ chọn lọc, giảm chi phí dung
môi, năng lượng, tham gia quá trình
chuyển khối từ pha này sang pha khác
…
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

3

Xúc tác chuyển pha phải có cation trong cấu trúc có tính
ưa dầu cao (có ái lực mạnh với dung môi hữu cơ). Các
chất xúc tác được thường được sử dụng phần lớn trong
PTC là: các muối ammonium bậc bốn (Quat) và
phosphonium bậc 4 và các eter crown. Ví dụ như:

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

5


Thông thường, trong PTC lỏng/lỏng thì dung môi
thường sử dụng là dung môi hữu cơ như: toluen,
chlorobenzen, HC.
Đối với PTC rắn /lỏng thì dung môi sử dụng có độ phân
cực hơn như Acrilonitril, DMF
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

6


Cơ chế của phản ứng PTC
- Trong mọi trường hợp, khi có hỗn hợp hai chất lỏng không
trộn lẫn, ví dụ: nước chứa muối (là bazo hay nucleophil)
và một pha hữu cơ chứa chất cần phản ứng (R+) với muối

ở pha nước (Nu-). Khi bổ xung xúc tác PTC (thường chứa
cation ưa dầu) vào hỗn hợp, xúc tác thường tan được ở cả
hai pha sẽ thực hiện chức năng cầu trung chuyển anion dư
từ pha nước vào pha hữu cơ:

sự chuyển tới pha cân bằng
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


 Khi một hạt ái nhân (nucleophil) hoặc bazơ có mặt trong pha
hữu cơ thì sẽ xảy ra sự thay thế hoặc loại bỏ proton để tạo sản
phẩm phản ứng.

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


Cơ chế của xúc tác chuyển pha.

Different pathways for PTC: a the classic Starks (Charles Starks in the early 1970s)
extraction mechanism; b the Makosza interfacial mechanism.
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


Ví dụ:

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


Ích lợi của việc sử dụng PTC
- Tăng hiệu suất của phản ứng, giảm thời gian quay

vòng, tăng hiệu năng của thiết bị và dễ tiến hành =>
Giảm giá thành sản xuất
- Giảm thiểu sự sử dụng dung môi nguy hại, Tăng độ
chọn lọc và chất thải ra môi trường.

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


Các phản ứng của PTC
-Kỹ thuật PTC được sử dụng rất rộng rãi.
-Các phản ứng sử dụng PTC được tiến hành
trong điều kiện trung hòa như:

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


*Các phản ứng sử dụng PTC trong điều kiện bazơ mạnh
(được bazo hóa bởi các chất:NaOH, KOH, K2CO3, NaH)

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


Các quá trình sử dụng PTC trong công nghiệp

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


CATALYST CHARACTERIZATION

Bulk Physical Properties

Bulk Chemical Properties
Surface Chemical Properties
Surface Physical Properties

Catalytic Performance
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


Bulk Chemical Properties
Elemental composition (of the final catalyst)

XRD, electron microscopy (SEM,TEM)
Thermal Analysis(DTA/TGA)

NMR/IR/UV-Vis Spectrophotometer
TPR/TPO/TPD
EXAFS (Phân tích cấu trúc tinh vi bằng hấp thụ tia X mở rộng)
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Surface Properties
XPS,Auger, SIMS (bulk & surface structure)

Texture :Surface area- porosity
Counting “Active” Sites:

-Selective chemisorption (H2,CO,O2, NH3,
Pyridine,CO2);Surface reaction (N2O)
Spectra of adsorbed species (IR/EPR/ NMR /
EXAFS etc)
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


Physical properties of catalysts
Bulk density

Crushing strength & attrition loss
(comparative)
Particle size distribution
Porosimetry (micro(<2 nm), macro(>35
nm) and meso pores
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


Catalysts Characterization
Characteristics

Methods

Surface area, pore volume & size

N2 Adsorption-Desorption Surface area analyzer
(BET and Langmuir)

Pore size distribution

BJH (Barret, Joyner and Halenda)

Elemental composition of catalysts

Metal Trace Analyzer / Atomic Absorption
Spectroscopy

Phases present & Crystallinity

X-ray Powder Diffraction, TG-DTA (for precursors)

Morphology

Scanning Electron Microscopy

Catalyst reducibility

Temperature Programmed Reduction

Dispersion, SA and particle size of active metal

CO Chemisorption, TEM

Acidic/Basic site strength

NH3-TPD, CO2 TPD

Surface & Bulk Composition

XPS

Coke measurement

Thermo Gravimetric Analysis, TPO

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


BET Surface Area Analyzer

Major role of Chemical Engineer with Chemists for Hardware
Surface area, Pore Volume, Pore Size & Pore size distribution
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


Surface Area and Pore size Distribution
7.0E-3

CZCEA2

P2CZCeA

P2CZCeA

180

6.0E-3

160

Pore volume, cm3 g-1 A0-1

3 -1

Volume adsorbed,gcm
(STP)

200

140
120
100
80
60
40
20

CZA2

5.0E-3
4.0E-3
3.0E-3
2.0E-3

P3CZA

1.0E-3

0
0

100

200

300

400

500

600

700

000.0E+0
10

Relative pressure, P/P

0

N2 adsorption/desorption Isotherm

100
Pore diameter, A

1000
0

Pore size distribution by BJH method
Barret, Joyner, and Halenda (BJH)

P2CZCeA Cu/Zn/Ce/Al:30/20/10/40
KHOA
HÓA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
P3CZA
Cu/Zn/Al:30/20/50

P 2 Vm COS
ln

P0
rk RT


Chemisorption Analyzer

Dispersion, Metal Surface area and Metal Particle size; TPR, TPO, TPD
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM