2.4-5绿色化工技术-.ppt

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2.4绿色化工中无毒无害的催化剂2.4.1催化剂和催化作用催化剂的定义、作用2.4.2绿色催化剂选择的原则催化剂的使用性能包括活性、选择性、稳定性、机械强度、再生性能等。催化剂的活性:指能够加快化学反应速度的能力。——过去选择催化剂首先考虑的最重要的原则。催化剂的选择性:催化剂对反应类型、反应方向和产物的结构所具有的选择性。选择绿色催化剂的首要原则是注重催化剂的选择性而非活性,是选择它的特殊性,专用性而非通用性,从而保证目标产物的高转化率,副产物的低转化率、甚至不转化产生副产物。2.4.3绿色催化剂选择的研究开发催化剂的构成:主催化剂、助催化剂和载体。(1)主催化剂:确定催化剂的化学本性—选择性和活性的主要因素。(2)助催化剂:改善催化剂某方面的性能。(3)载体:稀释主活性中心、热载体、机械强度、部分活性等。2.4.4绿色催化剂种类及应用实例2.4.4.1固体酸催化剂(1)液体酸、固体酸催化应用情况酸催化反应:烃类裂解、重整、异构化、烷基化等石油炼制过程;烯烃水合、芳烃烷基化、醇酸酯化等石油化工过程。目前烷基化、酯化、水合、酰化、烃类异构化等反应中常用氢氟酸、硫酸、三氯化铝、磷酸等液体酸催化剂。缺点:在工艺上难以实现连续生产,催化剂不易与原料和产物相分离。对设备的腐蚀严重、对人身危害和产生废渣、污染环境。P39表2.3一些有代表性的用H2SO4、H3PO4、AlCl3等为催化剂的工业催化反应固体酸:P40表2.4①液体酸固载化②固体酸的应用:酸性白土、分子筛、氧化物、酸性树脂等。固体酸的种类:混合氧化物、杂多酸、超强酸、沸石分子筛、金属磷酸盐、硫酸盐、离子交换树脂等。利用固体酸催化剂的重要酸催化工艺,P41表2.5。(2)开发固体强酸催化剂的途径超强酸:酸度大于100%硫酸的酸就被认为是超强酸。酸的强度可以用Hammett酸度函数H0来表达,H0值越小酸度越大,100%硫酸的H0=-11.92。所以H0<-11.92的酸就是超强酸。例.分子筛代替三氯化铝催化剂合成异丙苯燕山石化公司异丙苯装置改造前后比较2.4.4.2烃类晶格氧催化剂选择氧化(1)烃类选择氧化问题及发展情况对烃类的催化选择氧化,目前工业上一般以氧气或空气为氧化剂,采用流化床反应器,流化床中返混严重,且目的产物在反应条件下易进一步深度氧化为CO2和H2O,其选择性是各类催化反应中最低的。控制深度氧化,提高目的产物的选择性是烃类选择氧化研究中最具有挑战性的难题。(2)烃类晶格选择氧化的出现为了避免气相氧对烃类分子的深度氧化,提高目的产物的选择性,采用催化剂晶格氧作为氧源的反应新工艺。用于烃类晶格选择氧化的两种反应工艺:1)用膜反应器2)采用循环流化床提升管反应器(circulatingfluidbed简称CFB)(3)烃类晶格氧选择氧化的研究进展P49(4)烃类晶格氧化催化剂的发展趋势P542.4.4.3酶催化酶是生物体内一类天然蛋白质。酶和一般催化剂一样,本质上可定义为能加速特殊反应的生物分子。酶的选择性很高。每一种酶都有两种选择性。1)底物(反应物)专一性,即只能催化一种或族特定底物的反应。2)作用专一性,即只能催化某种特定的反应。酶的高催化效率也表现在它能在非常温和的条件(例如常温、常压、接近中性pH的生理条件)下,大大加速反应。酶还有可自动调节活性的特点。高温、高压、强酸、强碱、有机溶剂、重金属及紫外光等因素都能使酶变性失活。2.4.4.4纳米材料催化剂纳米科技:以0.1~100nm尺度为研究对象的前沿科学。由于纳米材料具有独特的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应,它拥有完全不同常规材料的光学、力学、热学、磁学、化学、催化活性、生物活性等性能。(1)纳米粒子的化学催化P55提高反应速度,增加反应效率。决定反应路径,优良的选择性。降低反应温度。三种纳米粒子催化剂:P56金属纳米粒子带有衬底的金属纳米粒子化合物纳米粒子(2)半导体纳米粒子的催化P57(3)纳米金属、半导体粒子的热催化P582.4.4.5绿色催化选择的实例(1)环氧丙烷生产的绿色化(2)甲基丙烯酸酯(MMA)新催化技术(3)甲烷与CO2转化反应制合成气(4)可见光的光催化剂(5)汽车尾气的净化催化剂(6)酶催化2.4.5绿色催化过程和催化剂开发前沿(1)均相催化(2)非均相催化(3)相转移催化剂(4)酶催化剂2.5化工生产过程中无毒无害的介质辅助物质及其作用辅助物质是指在合成和生产过程中能帮助处

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