Катализатор и его неисправности
При изучении строения машины у многих возникает вопрос, что такое катализатор и, собственно, какая его роль в автомобиле. Чаще всего с данной деталью сталкиваются водители во время ремонта авто на СТО.Зачем нужен катализатор в выхлопной системе?
Каталитический нейтрализатор – деталь автомобиля, которая входит в состав выхлопной системы. Служит он как очиститель газа. То есть после отработки топлива в двигателе газы перемещаются по выхлопной системе и фильтруются в катализаторе, не давая вредным веществам выхода в атмосферу, превращая их в безвредные. Поставить данный «фильтр» вы можете на бензиновый и на дизельный двигатель.Что внутри катализатора? Его строение
Внутренности катализатора — это три каталитических преобразователя: он трехкомпонентный, на каждое вредное вещество, которое нужно снизить. Корпус детали — металлический и сделан из нержавеющей стали, где находится конструкция, напоминающая соты. Внутренность катализатора изготовлена из металла и керамики, покрыта веществами-фильтрами (палладий, родий и платина).
Как определить неисправный катализатор
Прежде всего, чтобы понять, что ваш катализатор вышел из строя, нужно посмотреть на пробег автомобиля, так как чаще всего деталь не доживает до 120 000 км. Причины неисправного катализатора:- 1. Автомобиль очень часто ездит по большим ямам и серьезным ухабам. Потому что после таких поездок керамическая конструкция, состоящая из сот, банально рассыпается.
- 2. Если в двигателе большие проблемы с системой смазки или с зажиганием. В результате получается, что масло и недогоревшее топливо попадает во внутренности катализатора и забивает соты.
- 3. В случае резкого нажатия педали газа до упора. Происходит тот же эффект.
Основными признаками неисправного катализатора являются сигнал-лампочка «Check Engine», а также переход двигателя в аварийный режим.
Однако это не показатель. Возможно, у вас только поврежден корпус или просто отошли провода. Поэтому ваш катализатор может быть уже сломан до этого момента.Главный показатель — как работает двигатель при неисправном катализаторе. В этом случае происходит снижение мощности двигателя, затруднение пуска и медленный набор скорости. Это свидетельствует о том, что в катализаторе слишком много сажи, которая и забивает соты, мешая им исправно работать.
Также посмотрите на расход бензина и на поток выхлопных газов. Если автомобиль начал потреблять больше топлива, то это свидетельствует о неисправном катализаторе. Что касается выхлопных газов, попробуйте перекрыть рукой исходящий поток. Если у вас с легкостью это получилось, стоит проверить деталь. При этом запах газа в выхлопной трубе не должен напоминать тухлые яйца.
Можно ли ездить с неисправным катализатором?
Да, многие умельцы придумывают различные конструкции, заменяющие данную дорогостоящую деталь. Например, ставят так называемые «обманки».
Что делать с неисправным катализатором?
Сдать в переработку. Например, компания «Катутиль» с радостью принимает неисправные катализаторы как у физических, так и у юридических лиц с полным оформлением всех документов. Количество деталей неограничено: вы можете сдать как один катализатор, так и несколько тонн сырья.Связаться с менеджерами компании можно по тел. +7 (499) 112-43-73, +7 (925) 312-30-10 или заказав бесплатный обратный звонок через форму на сайте.
Зачем в машине нужен катализатор? Почему его удаляют? | АВТОГАЙД — клуб автолюбителей
Катализатор это часть устройства выхлопной системы автомобиля, снижающая количество вредных веществ, которые автомобиль выпускает в атмосферу.
Его основа — керамические, чаще металлические соты с иридиево-платиновым напылением. При работе двигателя соты сильно нагреваются и токсичные газы проходя через них догорают.
Когда у двигателя падает мощность, причиной этому могут быть забитые и расплавленные соты катализатора. Причина чаще всего кроется в плохом бензине. Металлические пластины способны работать при температуре в 800 градусов. Однако при плохом бензине с большим количеством присадок температура в выхлопной системе намного выше, вследствие чего соты банально плавятся, сетка засоряется и пропускная способность газов уменьшается.
Чем может быть опасен забившийся катализатор
При не самых страшных обстоятельствах, вы почувствуете потерю мощности двигателя и частые перегревы. Однако все может обернуться куда плачевнее. Большему риску подвержены катализаторы с керамической сеткой, которая со временем может крошиться и осыпаться.
Учитывая забитость сот, газы между катализатором и двигателем скапливаются все больше.
Из-за этого излишки газов не выходят через выхлопную трубу. Вместо этого они выплевывают всю пыль и крошки от развалившейся сетки катализатора обратно в двигатель, в момент открытия клапанов. Затем, этот мусор попадает в цилиндры двигателя и наконец в камеру сгорания. Получившаяся смесь масла и железной стружки приведет к износу и двигателю настанет конец.
Стоит ли удалять катализатор у машины
Сам катализатор, если он в хорошем состоянии, никак не связан с работой двигателя и других важных систем. В целом автомобиль может работать и без него. Однако, сняв его со своей машины, в дальнейшем вам придется дышать опасными и вредными выбросами. Некоторые автовладельцы, после удаления катализаторов ощущали прирост лошадиных сил и незначительно снизившийся расход топлива.
Те, кто решились выбивать катализатор стали задумываться над вопросом, как быть с прохождением техосмотра и диагностики. Ведь все показатели выхлопа фиксируются и тестируются приборами.
Многое зависит от состояния и особенности двигателя. Некоторые современные автомобили запросто могут пройти контроль и без катализатора. Однако если у вас есть деньги на ремонт или замену, лучше потратиться сейчас, чем заплатить в два раза больше за ремонт двигателя в дальнейшем.
DataLife Engine > Версия для печати > Для чего нужен катализатор в автомобиле?
Каталитический нейтрализатор является автомобильной деталью, которая играет большую роль. Дело в том, что при работе любого двигателя происходит выброс большого количества вредных веществ. При помощи нейтрализатора можно уменьшить токсичность выбросов и улучшить экологическую ситуацию.Если вам понадобилась установка катализатора в Москве, обращайтесь в компанию «ВСЕ-КАТАЛИЗАТОРЫ». Эта компания специализируется на данных устройствах.
За счет химических реакций опасные вещества, которые оказывают вредное воздействие на атмосферу, преобразуются в газы с меньшей токсичностью.
Помимо катализатора в системе выхлопов располагаются и кислородные датчики.
Они осуществляют управление качеством горючей смеси и оказывают воздействие на работу катализатора. Однако керамический катализатор обладает и некоторыми недостатками, например, он является достаточно хрупким. Так что не выдерживает механические повреждения. Поскольку устройство располагается под дном автомобиля, есть большая вероятность столкновения его с бордюром или иным препятствием. В этой ситуации катализатор может сломаться. Металлические аналоги стоят дороже, но зато оказываются более надежными.
Существует несколько способов, с помощью которых можно понять, что катализатор вышел из строя. Когда автомобиль нормально работает, то при зажимах лампочка на панели приборов, которая сообщает о проблемах с катализатором, гореть не будет.
А вот если катализатор немного вышел из строя, тогда будет чувствоваться отсутствие тяги мотора на высоких оборотах. Автомобиль будет хуже заводиться с утра. Расход топлива также может повыситься. Все это является симптомом того, что катализатор сломался.
Ремонт катализаторов провести невозможно. Но если прибор всего лишь забился, то его можно промыть. Если загрязнений очень много, то можно поместить катализатор в воде на ночь. После этого можно будет собрать устройство и наблюдать его прекрасную работу. Однако если проблема так и не прошла, лучше приобрести новое устройство.
http://замена-катализатора.москва
+7 (495) 142-09-55
г. Москва Филёвский бульвар, 1с1
Автомобильный катализатор: нужен ли он вам?
Если же вы ищите еще более короткий ответ, то вот он – «да, несомненно, нужен». Для всех остальных представлен текст ниже.Мой автомобиль – это моя зона ответственности. Я должен самостоятельно за ним следить, а также следить за тем, чтобы он не мешал окружающим, по возможности соблюдать правила парковки и вообще дорожного движения. Однако есть понятия не только локальной ответственности при использовании автомобиля, но и ответственность глобальной. Я говорю об экологической обстановке и чрезмерном выхлопе, конечно. В европейских странах об этом уже давно позаботились, поэтому автомобили без функционирующих катализаторов частенько даже не пускают на территорию Шенгена.
Однако, постойте, пожалуй, стоит начать с самого начала!
Каталитический нейтрализатор устанавливается в выхлопной системе автомашины для того, чтобы «дожигать» и уменьшать количество вредных соединения – такие еще, конечно, нельзя вдыхать полной грудью, но они, как выяснилось, намного меньше загрязняют окружающую среду.
Если вы не хотя пару раз бывали на уроках химии, то наверняка помните, что «катализатор» — это вещество, ускоряющее химический процесс, но не участвующее в нем. Впрочем, ваша учительница химии немного лукавила, потому что любой катализатор, в том числе, автомобильный рано или поздно выходит из строя, так как активные вещества разрушаются.
И вот, когда информационная панель уже вторую неделю будет показывать значок «Check Engine», а диагностика выдаст ошибку P0420 или, например, Р0430 – вы поймете, что у вас есть всего два варианта. Первый – плохой и опасный – сделать прошивку или обманку со странными последствиями для вашего автомобиля.
Второй – более предпочтительный — все же купить новый катализатор.
Отмечу, что стоимость самого катализатора и цена на установку катализатора в Москве варьируется в пределах серьезных сумм, но по-настоящему качественная вещь (особенно производства США или Европы) прослужит длительное время, и вы о нем даже не будете вспоминать.
А если переложить ваши вложения на отмененную из-за такой мелочи поездку в Европу, то стоимость катализатора вообще не кажется такой уж неподъемной. Кроме того, вы внесете свою посильную помощь в дело борьбы за экологию. Об этом тоже не стоит забывать!
http://замена-катализатора.москва/
+7 (495) 920-69-88
20.01.2017 21:04
Катализаторы — Что такое Катализаторы?
Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах.
Катализаторы — вещества, изменяющие скорость химической реакции и не входящие в состав конечных продуктов.См. Спецпроект Neftegaz.RU «Национальный продукт: Отечественные катализаторы».
Катализаторы обеспечивают энергетически менее затрудненные пути реакции, что позволяет эффективно использовать сырье.
Катализ — это ускорение химических реакций под действием малых количеств веществ (катализаторов), которые сами в ходе реакции не изменяются.
Они широко используются при переработке нефти, получении различных продуктов, создании новых материалов (например, пластмасс).
Катализаторы позволяют превратить низкосортное сырье в высокоценные продукты.
Без катализаторов невозможно обеспечить производство моторных топлив для двигателей экологического стандарта «Евро-5» и выше.
Например, в каталитическом крекинге — одном из ключевых процессов, обеспечивающих увеличение выхода светлых нефтепродуктов (особенно бензина), самое главное действие катализатора — расщепление больших углеводородных молекул на более мелкие с высоким октановым числом.
Гидрокрекинг в свою очередь — процесс получения высококачественных керосиновых и дизельных дистиллятов из тяжелого газойля вакуумной перегонки и вторичных процессов.
Он также позволяет получить высококачественную основу базовых масел, близкую по эксплуатационным характеристикам к синтетическим.
Иначе говоря, это каталитический крекинг в присутствии водорода — где сочетание водорода, катализатора и соответствующего режима процесса позволяют провести крекинг низкокачественного легкого газойля и добиться получения высококачественных основ для широкого ассортимента товарных смазочных масел.
Катализаторы здесь играют важную роль: они активно взаимодействуют с водородом, благодаря им идет сам крекинг и происходит образование изопарафинов.
В процессе гидроочистки понижается содержание серы в топливе.
Эффективность гидроочистки зависит от активности катализаторов, температурного режима и качества сырья.
И повышение эффективности процесса требует использования новых типов катализаторов.
Требования к катализаторам:
- постоянная высокая каталитическая активность,
- селективность,
- механическая прочность,
- термостойкость,
- устойчивостью к действию каталитических ядов,
- большая длительность работы,
- легкая регенерируемость,
- необходимые гидродинамические характеристики,
- невысокая стоимость.
Формирование свойств катализатора происходит во время его приготовления и во время эксплуатации, поэтому метод приготовления катализатора должен учитывать возможность образования активных центров в условиях катализа. Во многих случаях активность промышленных катализаторов увеличивают добавлением промоторов (сокатализаторов).
Селективность изменяется из-за изменения электронных свойств и окружения активных центров катализатора (эффект лиганда).
В реакциях сложных органических молекул большое значение имеет преимущественное образование продукта, близкого по своей форме и размерам к размерам микропор катализатора.
В сложных многостадийных реакциях применяют многофазные многокомпонентные катализаторы, селективность которых выше благодаря тому, что каждая стадия сложной реакции ускоряется своим компонентом катализатора.
Селективность катализатора зависит также от его пористости, размера зерен и характера их укладки.
Термостойкость катализаторов важна для первых по ходу реагента слоев катализаторов в экзотермических реакциях, когда выделение тепла может вызвать рекристаллизацию и дезактивацию катализаторов.
Для предотвращения рекристаллизации катализаторы наносят на термостойкие носители.
Устойчивость катализатора к действию ядов каталитических определяется спецификой их взаимодействия с катализатором.
Металлические катализаторы отравляются соединениями кислорода (Н2О, СО), серы (H2S, CS2 и др.), N, Р, As и другими веществами, образующими более прочную химическую связь с катализатором, чем реагирующие вещества.
На оксидные катализаторы действуют те же яды, однако оксиды более устойчивы к отравлению.
В процессах крекинга, риформинга и других реакций углеводородов катализаторы отравляются в результате покрытия их слоем кокса.
Кроме того, катализаторы могут дезактивироваться из-за механического покрытия поверхности пылью, которая вносится извне или образуется при катализе.
Приготовление катализаторов
Катализаторы с развитой удельной поверхностью распространение получил метод осаждения из водных растворов солей с последующим прокаливанием образующихся соединений.
Так получают многие оксиды металлов. При этом лучше использовать водный раствор NH3, потому что отпадает необходимость отмывки осадка от щелочных металлов.
Охлажденный катализатор дробят, просеивают и восстанавливают азотно-водородной смесью в колонне синтеза.
Для получения правильной геометрической формы зерен катализатора используют специальные формовочные машины.
Цилиндрические гранулы получают экструзией (выдавливанием) влажной массы с помощью массивного винта (шнека) через отверстия нужного диаметра, после чего разрезают полученный жгут на отдельные цилиндрики, которые
закатываются в сферические гранулы в специальных грануляторах.
Плоские цилиндрические таблетки получают прессованием сухого порошка на таблеточных машинах
7 фактов о катализе, которых вы можете не знать
Практически все в вашей повседневной жизни зависит от катализаторов: автомобили, стикеры, стиральный порошок, пиво. Все части вашего сэндвича — хлеб, сыр чеддер, жареная индейка. Катализаторы разрушают бумажную массу, чтобы получить гладкую бумагу в вашем журнале. Они очищают ваши контактные линзы каждую ночь. Они превращают молоко в йогурт, а нефть — в пластиковые молочники, компакт-диски и велосипедные шлемы.
Что такое катализ?Катализаторы ускоряют химическую реакцию, снижая количество энергии, необходимое для ее запуска.Катализ является основой многих промышленных процессов, в которых используются химические реакции для превращения сырья в полезные продукты. Катализаторы являются неотъемлемой частью производства пластмасс и многих других промышленных изделий.
Даже человеческий организм работает на катализаторах.
Многие белки в вашем теле на самом деле являются катализаторами, называемыми ферментами, которые делают все: от создания сигналов, которые двигают ваши конечности, до помощи в переваривании пищи. Они действительно важная часть жизни.
В большинстве случаев вам нужно совсем небольшое количество катализатора, чтобы изменить ситуацию. Даже размер частицы катализатора может изменить ход реакции. В прошлом году аргоннская команда, в которую входил ученый-материаловед Ларри Кертисс, обнаружила, что один серебряный катализатор лучше справляется со своей задачей, когда он находится в наночастицах шириной всего в несколько атомов. (Катализатор превращает пропилен в оксиды пропилена, что является первым шагом в производстве антифриза и других продуктов.)
Это может сделать вещи более экологичными. Промышленные процессы производства пластмассы и других предметов первой необходимости часто приводят к появлению неприятных побочных продуктов, которые могут представлять опасность для здоровья человека и окружающей среды.
Лучшие катализаторы могут помочь решить эту проблему. Например, тот же серебряный катализатор на самом деле производит меньше токсичных побочных продуктов, что делает всю реакцию более экологически чистой.
По сути, катализатор — это способ экономии энергии. А применение катализаторов в больших масштабах могло бы сэкономить миру лотов и энергии.Три процента всей энергии, используемой в США каждый год, идет на преобразование этана и пропана в алкены, которые, помимо прочего, используются для производства пластмасс. Это эквивалент более 500 миллионов баррелей бензина.
Катализаторы также являются ключом к открытию биотоплива. Вся биомасса — кукуруза, просо, деревья — содержит твердое соединение, называемое целлюлозой, которое необходимо расщепить для получения топлива. Поиск идеального катализатора для разрушения целлюлозы сделает биотопливо более дешевым и более жизнеспособным в качестве возобновляемого источника энергии.
Вычислительное моделирование открывает перспективы для создания лучших катализаторов и красивых изображений, таких как эта модель платинового катализатора, взаимодействующего с атомами кислорода (красный) и атомами водорода (белый). Изображение Риза Ранкина, Центр наномасштабных материалов. Часто мы не понимаем, почему они работают. Точные причины, по которым катализаторы работают, часто остаются загадкой для ученых. Curtiss работает в области вычислительного катализа: использует компьютеры для решения сложного взаимодействия физики, химии и математики, которое объясняет, как работает катализатор.
Разобравшись в процессе, ученые могут попытаться создать катализатор, который работает еще лучше, путем моделирования того, как могут работать различные материалы. Возможные конфигурации новых катализаторов могут составлять тысячи комбинаций, поэтому суперкомпьютеры лучше всего справляются с ними.
Когда Эдисон конструировал лампочку, он испытал буквально сотни различных нитей накала (вероятно, испытав также терпение своих лаборантов), прежде чем обнаружил обугленную нить.Воспользовавшись суперкомпьютерами и современными технологиями, ученые могут ускорить годы испытаний и сократить расходы, чтобы совершить прорыв.
Curtiss проводит моделирование на суперкомпьютере Argonne Blue Gene / P для разработки возможных новых катализаторов. «Поскольку суперкомпьютеры стали быстрее, мы смогли делать то, чего никогда не могли делать 10 лет назад», — сказал он.
Они могут оказаться незаменимыми для следующей большой революции в производстве аккумуляторов. Новые эффективные литий-ионные аккумуляторы помогли превратить неуклюжие автомобильные телефоны в тонкие и элегантные сотовые телефоны и ноутбуки, доступные сегодня.Но ученые уже ищут следующую революцию в аккумуляторных батареях — такую, которая когда-нибудь сможет сделать батарею легкой и достаточно мощной, чтобы проехать 500 миль на машине. Перспективной идеей являются литий- воздушные батареи , в которых в качестве основного компонента используется кислород воздуха. Но эта новая батарея потребует полностью изменить внутреннюю химию, и ей понадобится новый мощный катализатор, чтобы заставить ее работать.
Литий-воздушная батарея работает, объединяя атомы лития и кислорода, а затем снова и снова разрушая их.Это ситуация, специально созданная для катализатора, и хороший катализатор ускорит реакцию и сделает батарею более эффективной.
Понимание химии реакций — это первый шаг; затем ученые могут использовать моделирование для разработки новых потенциальных катализаторов и тестирования их в лаборатории. Но этот первый шаг будет трудным, если вы не сможете перейти на атомарный уровень, чтобы увидеть, что происходит во время реакции. Именно здесь блистают крупные научные центры, такие как усовершенствованный источник фотонов (APS) в Аргонне.
В APS ученые могут использовать самые яркие рентгеновские лучи в Соединенных Штатах, чтобы отслеживать реакции в режиме реального времени. В Центре электронной микроскопии лаборатории исследователи фотографируют атомы во время их реакции. Кертисс и его команда использовали и то, и другое в поисках лучших катализаторов.
14.7: Катализ — Химия LibreTexts
Цели обучения
- Чтобы понять, как катализаторы увеличивают скорость реакции и селективность химических реакций.
Катализаторы — это вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, но не расходуются в процессе. Таким образом, катализатор не входит в общую стехиометрию реакции, которую он катализирует, но он должен появляться по крайней мере в одной из элементарных реакций в механизме катализированной реакции. Катализированный путь имеет более низкое значение E a , но чистое изменение энергии, возникающее в результате реакции (разница между энергией реагентов и энергией продуктов), не зависит от присутствия катализатора ( Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).Тем не менее, из-за более низкого значения E , и скорость реакции катализированной реакции выше, чем скорость реакции некаталитической реакции при той же температуре. Поскольку катализатор уменьшает высоту энергетического барьера, его присутствие увеличивает скорость как прямой, так и обратной реакции на одинаковую величину.
В этом разделе мы рассмотрим три основных класса катализаторов: гетерогенные катализаторы, гомогенные катализаторы и ферменты.
Катализатор влияет на E a , но не на Δ E .
Гетерогенный катализ
В гетерогенном катализе катализатор находится в фазе, отличной от фазы реагентов.По крайней мере, один из реагентов взаимодействует с твердой поверхностью в физическом процессе, называемом адсорбцией, таким образом, что химическая связь в реагенте становится слабой, а затем разрывается. Яды — это вещества, которые необратимо связываются с катализаторами, предотвращая адсорбцию реагентов и, таким образом, снижая или разрушая эффективность катализатора.
Примером гетерогенного катализа является взаимодействие газообразного водорода с поверхностью металла, такого как Ni, Pd или Pt. Как показано в части (а) на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), водородно-водородные связи разрываются и образуют отдельные адсорбированные атомы водорода на поверхности металла.Поскольку адсорбированные атомы могут перемещаться по поверхности, два атома водорода могут сталкиваться и образовывать молекулу газообразного водорода, которая затем может покинуть поверхность в обратном процессе, называемом десорбцией. Адсорбированные атомы H на поверхности металла значительно более активны, чем молекула водорода. Поскольку относительно прочная связь H – H (энергия диссоциации = 432 кДж / моль) уже разорвана, энергетический барьер для большинства реакций H 2 на поверхности катализатора существенно ниже.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Гидрирование этилена на гетерогенном катализаторе.Когда молекула водорода адсорбируется на поверхности катализатора, связь H – H разрывается, и образуются новые связи M – H.
Отдельные атомы H более реакционноспособны, чем газообразный H 2 . Когда молекула этилена взаимодействует с поверхностью катализатора, она вступает в реакцию с атомами H в ступенчатом процессе с образованием этана, который высвобождается. (CC BY-NC-SA; анонимно)На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показан процесс, называемый гидрогенизацией , в котором атомы водорода добавляются к двойной связи алкена, такого как этилен, для получения продукт, содержащий одинарные связи C – C, в данном случае этан.Гидрирование используется в пищевой промышленности для преобразования растительных масел, состоящих из длинных цепочек алкенов, в более коммерчески ценные твердые производные, содержащие алкильные цепи. Гидрирование некоторых двойных связей в полиненасыщенных растительных маслах, например, дает маргарин, продукт с температурой плавления, текстурой и другими физическими свойствами, аналогичными свойствам сливочного масла.
Несколько важных примеров промышленных гетерогенных каталитических реакций приведены в таблице \ (\ PageIndex {1} \).
Хотя механизмы этих реакций значительно сложнее, чем описанная здесь простая реакция гидрирования, все они включают адсорбцию реагентов на твердой каталитической поверхности, химическую реакцию адсорбированных частиц (иногда через ряд промежуточных частиц) и, наконец, десорбцию. изделий с поверхности.
| Коммерческий процесс | Катализатор | Начальная реакция | Конечный коммерческий продукт |
|---|---|---|---|
| контактный процесс | V 2 O 5 или Pt | 2SO 2 + O 2 → 2SO 3 | H 2 SO 4 |
| Процесс Хабера | Fe, K 2 O, Al 2 O 3 | N 2 + 3H 2 → 2NH 3 | NH 3 |
| процесс Оствальда | Pt и Rh | 4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O | HNO 3 |
| реакция конверсии вода-газ | Fe, Cr 2 O 3 или Cu | CO + H 2 O → CO 2 + H 2 | H 2 для NH 3 , CH 3 OH и других видов топлива |
| паровой риформинг | Ni | CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 | H 2 |
| синтез метанола | ZnO и Cr 2 O 3 | CO + 2H 2 → CH 3 OH | СН 3 ОН |
| Процесс Sohio | фосфомолибдат висмута | \ (\ mathrm {CH} _2 \ textrm {= CHCH} _3 + \ mathrm {NH_3} + \ mathrm {\ frac {3} {2} O_2} \ rightarrow \ mathrm {CH_2} \ textrm {= CHCN} + \ mathrm {3H_2O} \) | \ (\ underset {\ textrm {акрилонитрил}} {\ mathrm {CH_2} \ textrm {= CHCN}} \) |
| каталитическое гидрирование | Ni, Pd или Pt | RCH = CHR ′ + h3 → RCH 2 —CH 2 R ′ | частично гидрогенизированные масла для маргарина и т. Д. |
Гомогенный катализ
В гомогенном катализе катализатор находится в той же фазе, что и реагент (ы).Число столкновений между реагентами и катализатором максимально, поскольку катализатор равномерно диспергирован по всей реакционной смеси. Многие гомогенные катализаторы в промышленности представляют собой соединения переходных металлов (Таблица \ (\ PageIndex {2} \)), но извлечение этих дорогостоящих катализаторов из раствора было серьезной проблемой. В качестве дополнительного барьера к их широкому коммерческому использованию многие гомогенные катализаторы можно использовать только при относительно низких температурах, и даже в этом случае они имеют тенденцию медленно разлагаться в растворе.Несмотря на эти проблемы, в последние годы был разработан ряд коммерчески жизнеспособных процессов. Полиэтилен высокой плотности и полипропилен производятся методом гомогенного катализа.
| Коммерческий процесс | Катализатор | Реагенты | Конечный продукт |
|---|---|---|---|
| Union Carbide | [Rh (CO) 2 I 2 ] — | СО + СН 3 ОН | CH 3 CO 2 H |
| гидропероксидный процесс | Комплексы Mo (VI) | CH 3 CH = CH 2 + R – O – O – H | |
| гидроформилирование | Rh / PR 3 комплексов | RCH = CH 2 + CO + H 2 | RCH 2 CH 2 CHO |
| адипонитрил процесс | Ni / PR 3 Комплексы | 2HCN + CH 2 = CHCH = CH 2 | NCCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CN, используемый для синтеза нейлона |
| полимеризация олефинов | (RC 5 H 5 ) 2 ZrCl 2 | CH 2 = CH 2 | — (CH 2 CH 2 -) n : полиэтилен высокой плотности |
Ферменты
Ферменты, катализаторы, встречающиеся в природе в живых организмах, представляют собой почти все белковые молекулы с типичной молекулярной массой 20 000–100 000 а.
е.м.Некоторые из них представляют собой гомогенные катализаторы, которые вступают в реакцию в водном растворе в клеточном отделении организма. Другие представляют собой гетерогенные катализаторы, встроенные в мембраны, которые отделяют клетки и клеточные компартменты от их окружения. Реагент в реакции, катализируемой ферментами, называется субстратом .
Поскольку ферменты могут увеличивать скорость реакции в огромных количествах (до 10 17 раз по сравнению с некаталитической скоростью) и имеют тенденцию быть очень специфичными, обычно производя только один продукт с количественным выходом, они являются предметом активных исследований.В то же время ферменты обычно дороги в получении, они часто перестают функционировать при температурах выше 37 ° C, имеют ограниченную стабильность в растворе и обладают такой высокой специфичностью, что ограничиваются превращением одного конкретного набора реагентов в один конкретный продукт. . Это означает, что для химически подобных реакций необходимо разрабатывать отдельные процессы с использованием разных ферментов, что отнимает много времени и является дорогостоящим.
К настоящему времени ферменты нашли лишь ограниченное промышленное применение, хотя они используются в качестве ингредиентов в моющих средствах для стирки, средствах для чистки контактных линз и размягчителях мяса.Ферменты в этих приложениях, как правило, представляют собой протеазы, которые способны расщеплять амидные связи, удерживающие аминокислоты вместе в белках. Например, размягчители мяса содержат протеазу, называемую папаином, которую выделяют из сока папайи. Он расщепляет некоторые длинные волокнистые белковые молекулы, которые делают недорогие нарезы говядины жесткими, в результате чего получается более нежный кусок мяса. Некоторые насекомые, такие как жук-бомбадир, несут фермент, способный катализировать разложение перекиси водорода до воды (рис. \ (\ PageIndex {3} \)).
Ингибиторы ферментов вызывают снижение скорости реакции, катализируемой ферментами, путем связывания с определенной частью фермента и, таким образом, замедления или предотвращения реакции. Поэтому необратимые ингибиторы являются эквивалентом ядов в гетерогенном катализе. Одним из старейших и наиболее широко используемых коммерческих ингибиторов ферментов является аспирин, который избирательно подавляет один из ферментов, участвующих в синтезе молекул, вызывающих воспаление.Создание и синтез родственных молекул, более эффективных, более селективных и менее токсичных, чем аспирин, являются важными задачами биомедицинских исследований.
Сводка
Катализаторы участвуют в химической реакции и увеличивают ее скорость. Они не входят в общее уравнение реакции и не расходуются во время реакции. Катализаторы позволяют реакции протекать по пути, который имеет более низкую энергию активации, чем некаталитическая реакция. При гетерогенном катализе катализаторы обеспечивают поверхность, с которой реагенты связываются в процессе адсорбции.При гомогенном катализе катализаторы находятся в той же фазе, что и реагенты. Ферменты — это биологические катализаторы, которые приводят к значительному увеличению скорости реакции и имеют тенденцию быть специфичными для определенных реагентов и продуктов. Реагент в реакции, катализируемой ферментами, называется субстратом. Ингибиторы ферментов вызывают снижение скорости реакции, катализируемой ферментами.
На пути к лучшему катализатору
Платформаоптимизирует конструкцию новых настраиваемых каталитических систем.
Лия Берроуз, SEAS Communications
(КЕМБРИДЖ, Массачусетс.) — В конце 1700-х годов шотландский химик по имени Элизабет Фулхэм обнаружила, что определенные химические реакции происходят только в присутствии воды и что в конце этих реакций количество воды не истощается. Фулхейм был первым ученым, продемонстрировавшим силу катализатора — материала, который может ускорять химическую реакцию, но не поглощается ею.
Институт Висса разрабатывает новый тип покрытия для каталитических нейтрализаторов, который, вдохновленный наноразмерной структурой крыла бабочки, может значительно снизить стоимость и повысить эффективность технологий очистки воздуха, сделав их более доступными для всех.Фото: Институт Висса при Гарвардском университетеДвести лет спустя катализаторы стали одним из двигателей современной жизни. Химическая промышленность использует катализаторы для 90% своих процессов — от очистки нефти, превращения нефти в пластик и производства удобрений, пищевых продуктов и лекарств до очистки воздуха от вредных загрязняющих веществ, выбрасываемых автомобилями и заводами.
Разработка каталитических систем для такого широкого спектра применений — большая проблема. Катализаторы необходимо интегрировать в системы, охватывающие широкий диапазон размеров, форм и составов материалов, и контролировать множество химических реакций в самых разных условиях.Кроме того, в большинстве специализированных катализаторов используются редкие и дорогие металлы, такие как платина, палладий и родий, нанесенные на металлические или оксидные матрицы с большой площадью поверхности.
Теперь группа исследователей из Института Висса при Гарвардском университете и Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) разработала и протестировала новый подход к оптимизации конструкции настраиваемых каталитических систем.
Исследование, проведенное Джоанной Айзенберг, членом основного факультета Института Висс, описано в серии статей, опубликованных в журналах Advanced Materials , Advanced Functional Materials и Chemistry — A European Journal .Айзенберг также является профессором Эми Смит Берилсон по материаловедению и профессором химии и химической биологии.
Таня ШирманNature в течение миллиардов лет занималась исследованиями и разработками, направленными на совершенствование конструкции каталитических систем.
Одна из самых больших проблем при разработке эффективных катализаторов — это создание наноструктурированных пористых твердых частиц, на которых и в которых протекают реакции. В течение долгого времени исследования Айзенберга были сосредоточены на изучении сложных природных микро- и наноструктурированных материалов, таких как радужные опалы или крылья бабочки, а также на выяснении того, как биология контролирует химию и морфологию своих наноразмерных строительных блоков.Вдохновленная естественными процессами, команда исследователей разработала методологию создания совершенных, высокоупорядоченных, опалоподобных микроматериалов для широкого спектра каталитических и фотокаталитических реакций.
Для создания этих структур исследователи ввели метод совместной сборки, при котором крошечные сферические частицы и предшественники матрицы одновременно осаждаются из единой смеси для получения бездефектных пленок в сантиметровом масштабе. Исследователи продемонстрировали этот процесс с помощью широко используемых каталитических материалов, включая диоксид титана, оксид алюминия и диоксид циркония, включающих различные моно- и мультиметаллические наночастицы.
«Распространение этой методологии на небиологические кристаллические материалы приведет к созданию микромасштабных архитектур с улучшенными фотонными, электронными и каталитическими свойствами», — сказала соавтор Таня Ширман, научный сотрудник по развитию технологий в Институте Висса и научный сотрудник SEAS.
При разработке самих каталитических частиц исследователи также обратились к природе, используя для вдохновения биокатализаторы, такие как ферменты. В биологических системах наноразмерные каталитические материалы прикрепляются к более крупным объектам, таким как белки и клетки, которые самоорганизуются, образуя более крупные сети точно спроектированных каталитических центров.
Новая технология основана на наноструктуре крыла бабочки, которое является пористым, отталкивает воду и преломляет свет. Предоставлено: Shutterstock / Ondrej Prosicky. «У природы миллиарды лет исследований и разработок, направленных на совершенствование конструкции каталитических систем», — сказала Таня Ширман. «В результате они невероятно эффективны и позволяют координировать и настраивать сложные реакции за счет оптимального расположения каталитических комплексов».
Исследователи имитировали иерархическую архитектуру природных катализаторов, разработав высокомодульную платформу, которая строит сложные катализаторы из органических коллоидов и неорганических каталитических наночастиц.Команда может контролировать все, от состава, размера и размещения каталитических наночастиц до размера, формы и связности коллоидов, а также общей формы и структуры сети. Полученные каталитические системы используют значительно меньшее количество драгоценных металлов, чем существующие катализаторы.
«Драгоценный металл — очень ограниченный ресурс», — сказал соавтор Элайджа Ширман, научный сотрудник Института Висс и SEAS. «Оптимизируя конструкцию и сводя к минимуму количество драгоценных металлов, используемых в каталитических системах, мы можем создавать более экологичные катализаторы в целом и использовать каталитические материалы способами, которые в настоящее время недоступны.”
Метод относительно прост: во-первых, каталитические наночастицы прикрепляются к коллоидам посредством различных видов химических и физических связей. Покрытые наночастицами коллоиды затем помещают в раствор предшественника матрицы и дают возможность самоорганизоваться в желаемый узор, который можно контролировать, ограничивая сборку определенной формой. Наконец, коллоиды удаляются, так что образуется структурированная сеть, украшенная наночастицами, частично внедренными внутри матрицы.Эта иерархическая пористая архитектура с прочно прикрепленными каталитическими центрами максимизирует площадь поверхности для каталитической реакции и повышает надежность катализатора.
«Наша синтетическая платформа позволяет нам взять компоненты сборки и сформировать полностью взаимосвязанную, высокоупорядоченную пористую микроархитектуру, в которую уникальным образом включены каталитические наночастицы», — сказала Таня Ширман. «Это обеспечивает исключительную механическую, термическую и химическую стабильность, а также большую площадь поверхности и полную доступность для диффундирующих реагентов.”
Архитектура, напоминающая крыло бабочки, позволяет размещать катализаторы из драгоценных металлов (белый цвет) на пористом каркасе (серый цвет), чтобы каталитическая реакция была намного более эффективной и рентабельной. Предоставлено: Институт Висса при Гарвардском университете«Технология, разработанная в моей лаборатории, особенно многообещающа для преодоления разрыва между современными исследованиями и разработками и реальными приложениями», — сказал Айзенберг. «Благодаря модульной конструкции и возможности настройки, эта структура может использоваться в различных областях, от синтеза важных химических продуктов до борьбы с загрязнением.Наши результаты ясно показывают, что теперь мы можем создавать лучшие катализаторы, использовать меньше драгоценных металлов и улучшать известные каталитические процессы ».
Эта технология в настоящее время проверяется и разрабатывается для коммерциализации Институтом Висса.
КомандаАйзенберга в настоящее время сосредоточена на разработке катализаторов нового поколения для ряда применений — от технологий чистого воздуха и каталитических преобразователей до усовершенствованных электродов для каталитических топливных элементов — в надежде вскоре протестировать свои разработки в реальных системах.
Команда недавно заняла второе место в конкурсе инноваций президента Гарварда, который определяет и продвигает перспективные технологические предприятия, которые могут оказать значительное влияние на общество и окружающую среду.
Соавтором исследования является Синтия Френд, доктор философии, профессор химии Теодора Уильяма Ричардса и профессор материаловедения в SEAS; Анна В. Шнейдман, доктор философии, научный сотрудник группы Айзенберга; Элисон Гринталь, научный сотрудник группы Айзенберга; Кэтрин Р.Филлипс, аспирант группы Айзенберга; бывшие студенты группы Айзенберга Хейли Уилан, Эли Балджер, Маркус Абрамович, Джатин Патил и Рошель Неварес; Тереза М. Кей, бывший научный сотрудник группы Айзенберга; Докторанты группы Friend Джудит Латтимер, доктор философии, Матильда Луно, доктор философии, и Кристиан Рис, доктор философии; Майкл Айзенберг, доктор философии, старший научный сотрудник Института Висса; и Роберт Мэдикс, доктор философии, старший научный сотрудник SEAS.
Эта работа была поддержана программой National Science Foundation Designing Materials to Revolution and Engineering Our Future, Интегрированной мезомасштабной архитектурой для устойчивого катализа и Исследовательским центром Energy Frontier, финансируемым U.S. Министерство энергетики, Управление науки, фундаментальные энергетические науки.
Новая теория показывает, как деформация улучшает катализаторы
Push and pull: Исследователи из Университета Брауна показали, что влияние внешней деформации на катализатор зависит от внутренней деформации, создаваемой химическими реагентами. Эта новая теоретическая основа может быть полезна при оптимизации катализаторов для различных реакций. Лаборатория Петерсона / Университет БраунаPROVIDENCE, R.I. [Университет Брауна] — Исследователи из Университета Брауна разработали новую теорию, объясняющую, почему растяжение или сжатие металлических катализаторов может улучшить их работу.Теория, описанная в журнале Nature Catalysis, может открыть новые возможности для разработки новых катализаторов с новыми возможностями.
Катализаторы — это вещества, ускоряющие химические реакции. Подавляющее большинство промышленного катализа включает твердые поверхности, часто металлы, которые катализируют реакции в жидкостях или газах. Каталитический нейтрализатор на автомобиле, например, использует металлические катализаторы для удаления токсинов из выхлопных газов. Также есть интерес к использованию металлических катализаторов для превращения диоксида углерода в топливо, изготовления удобрений из атмосферного азота и стимулирования реакций в автомобилях с топливными элементами.
Исследования последних лет показали, что приложение деформации к металлическим катализаторам — сжатие или растяжение — может в некоторых случаях изменить способ их работы.
«Штамм — действительно актуальная тема для катализа прямо сейчас», — сказал Эндрю Петерсон, доцент инженерной школы Брауна и соавтор исследования. «Мы начинаем видеть вещи, происходящие под напряжением, которые нелегко объяснить традиционной теорией работы катализаторов. Это заставило нас задуматься об альтернативной структуре для этого вопроса.”
Металлический катализатор работает, заставляя реагенты связываться с его поверхностью, процесс, известный как адсорбция. Адсорбция разрывает химические связи молекул реагентов, позволяя различным стадиям химической реакции протекать на поверхности металла. После завершения стадий реакции конечный продукт выделяется из катализатора посредством обратного процесса, называемого десорбцией.
Ключевым свойством катализатора является его реакционная способность, означающая, насколько прочно он связывает химические молекулы со своей поверхностью.Катализаторы должны быть в некоторой степени реактивными, чтобы произошло связывание, но не слишком реактивными. Слишком высокая реакционная способность приводит к тому, что катализатор слишком плотно удерживает молекулы, что может затруднить некоторые стадии реакции или сделать так, чтобы конечные продукты не могли десорбироваться.
В последние годы было показано, что приложение напряжения к катализатору может регулировать его реакционную способность, и существует хорошо обоснованная теория того, как он работает. Вообще говоря, теория предсказывает, что деформация при растяжении должна увеличивать реактивность, а сжатие — уменьшать ее.Однако Петерсон и его группа продолжали сталкиваться с системами, которые нелегко объяснить с помощью теории.
Это заставило исследователей задуматься о новом взгляде на проблему. Традиционная теория описывает вещи на уровне электронов и электронных зон. Новая теория немного уменьшает масштаб, вместо этого сосредотачиваясь на механике взаимодействия молекул с атомной решеткой катализатора.
Петерсон и его команда показали, что молекулы, связанные с поверхностью катализатора, будут стремиться либо раздвигать атомы в решетке, либо сближать их, в зависимости от характеристик молекул и мест связывания.Различные силы, создаваемые молекулами, имеют интересные последствия для того, как внешняя деформация должна влиять на реактивность катализатора. Это предполагает, что напряжение, которое растягивает атомную решетку катализатора, должно сделать катализатор более реактивным по отношению к молекулам, которые естественным образом хотят раздвинуть решетку. В то же время натяжение должно снизить реакционную способность молекул, которые хотят стянуть решетку вместе. Сжатие — сжатие решетки — имеет обратный эффект.
Новая теория не только помогает объяснить ранее озадачивающие результаты, но и делает новые важные прогнозы.В частности, он предсказывает способ разрушения традиционных масштабных соотношений между катализаторами и различными типами молекул.
«Соотношения масштабирования означают, что при нормальных обстоятельствах, когда вы увеличиваете реакционную способность катализатора для одного химического вещества, это увеличивает реакционную способность также и для других химикатов», — сказал Петерсон. «Точно так же, если вы уменьшите реактивность для одного химического вещества, вы уменьшите ее для других».
Эти отношения масштабирования приводят к трудным компромиссам при попытке оптимизировать катализатор.Получение идеальной реакционной способности для одного химического вещества может привести к тому, что другое химическое вещество будет связываться слишком сильно (или слишком слабо), потенциально ингибируя некоторые стадии реакции. Но эта новая теория предполагает, что деформация может нарушить эти масштабные соотношения, позволяя катализатору одновременно связывать одно химическое вещество более плотно, а другое — более свободно, в зависимости от естественного взаимодействия химического вещества с атомной решеткой катализатора и способа создания поля деформации на поверхности. поверхность катализатора.
«Теперь вы можете начать думать о действительно тонкой настройке катализаторов, чтобы они лучше работали на разных стадиях реакции», — сказал Петерсон.«Это может значительно улучшить характеристики катализатора, в зависимости от используемых химикатов».
Команда Петерсона начала составлять базу данных по химическим веществам, часто используемым в реакции, и их взаимодействиям с различными поверхностями катализаторов. Эта база данных может служить руководством для поиска реакций, которые могут выиграть от напряжения и нарушения масштабных соотношений.
Тем временем Петерсон надеется, что проделанная ими работа предоставит этому сообществу катализаторов новый взгляд на напряжение.
«Мы пытаемся дать структуру, которая обеспечивает более интуитивное понимание того, как деформация работает в катализе», — сказал Петерсон. «Поэтому, когда люди разрабатывают новые катализаторы, они могут думать о том, как лучше использовать эти эффекты напряжения».
Исследование было поддержано Исследовательским бюро армии США (W911NF-11-10353). Другими авторами статьи были Алиреза Хоршиди, Джеймс Вайолет и Джавад Хашеми.
Что такое «катализаторы», а что нет. Катализаторы
Выбор топливного катализатора требует понимания того, что такое катализатор, а что нет, а также понимания того, что катализатор — или некатализатор — может и не может делать.Проблема в том, что определение катализатора — следовательно, функция катализатора — это движущаяся цель. Понять, что такое настоящий катализатор, не так уж сложно. Однако может быть очень трудно понять, для чего маркетологам в индустрии топливных добавок и улучшений используется слово «катализатор».
Настоящий топливный катализатор служит двум целям: повысить топливную эффективность (расход топлива) и снизить выбросы. «Катализатор», предназначенный для других целей — например, для смазки или очистки двигателя — не является катализатором.Если продукт, который вы планируете приобрести, не повысит топливную эффективность и не снизит выбросы, вы не приобретете катализатор.
Это не означает, что многие продукты, продаваемые как «катализаторы», которые на самом деле не являются катализаторами, не имеют ценности. Топливные добавки и присадки имеют ценность. Их можно использовать для очистки внутренних компонентов двигателя внутреннего сгорания, для смазки этих деталей и для увеличения октанового или цетанового числа топлива.
Но очистка, смазка и увеличение сопротивления сжатию топлива не делает его катализатором.
Что такое Catalyst
Настоящий топливный катализатор должен содержать катализаторы. Если компоненты «катализатора» не являются катализаторами, продукт является «катализатором» только по названию. Настоящий топливный катализатор содержит благородные металлы — также известные как катализаторы. Практически все благородные металлы — драгоценные металлы. Благородные металлы — уникальные элементы, потому что они обладают способностью катализировать.
Процесс катализа является уникальным в мире химии и физики, потому что катализаторы способны вызывать химические изменения без изменения самих себя.Поскольку катализаторы относятся к топливным катализаторам, благородные металлы в топливном катализаторе могут изменять молекулярную структуру ископаемого топлива, не разрушаясь и не разрушаясь.
Просто благородные металлы, являющиеся катализаторами, могут вызывать химические изменения, не подвергаясь химическим или физическим изменениям.
Что такое топливный катализатор
Топливный катализатор — это механическое устройство перед сгоранием, которое улучшает эффективность сгорания ископаемого топлива. В то время как топливные катализаторы неэффективны при изменении эффективности сгорания топлива с низкой плотностью энергии, топливные катализаторы могут значительно улучшить эффективность сгорания топлива с высокой плотностью энергии, такого как дизельное топливо, мазут и бункерное топливо.
Причина, по которой эффективность сгорания ископаемых видов топлива, таких как метан и бензин, трудно улучшить, заключается в том, что небольшие молекулы с низким энергопотреблением и молекулярные цепи составляют углеводородный состав топлива, такого как бензин, пропан и природный газ. В то время как большие молекулы углеводородов и молекулярные цепи содержат большее количество энергии, чем те, которые содержатся в менее ценном топливе, большие молекулярные цепи связываются в кластеры. Углеводородные кластеры снижают эффективность сгорания.
Кластеры углеводородов, площадь поверхности и оксигенация
Благородные металлы в топливном катализаторе — которые, кстати, те же, что и в каталитическом нейтрализаторе — создают гомогенную смесь дизельного и тяжелого топлива.Катализаторы в топливном катализаторе разрывают поляризованные связи, которые удерживают большие молекулы углеводородов вместе в кластеры. Осуществляя деполяризацию углеводородных кластеров и обнажая отдельные молекулы и молекулярные цепи, топливный катализатор создает большую площадь поверхности молекулы. Площадь поверхности важна для оксигенации молекул углеводородов.
Кислород является одним из двух ключевых компонентов сгорания углеводородов, другой — искрой или огромным давлением, достаточным для того, чтобы заставить углеводороды в дизельном топливе сгореть.Молекулы не кислородсодержащих углеводородов не горят. Вместо этого несгоревшие углеводороды выбрасывают выхлопные газы в виде токсичных выбросов.
Как объясняет X-Engineer.org: «В реальных двигателях процесс сгорания является неполным. Это означает, что не вся энергия топлива, подаваемого в двигатель, высвобождается в процессе сгорания. Есть несколько факторов, которые могут влиять на процесс сгорания, наиболее важными из которых являются воздухозаборник и распыление топлива (размер капель).
Оксигенация и сжигание
Для горения топлива внутри цилиндра требуется воздух (кислород). Если кислорода недостаточно, то сгорает не все топливо, поэтому при сгорании выделяется только часть энергии (например, около 96%) ».
«Если мы проанализируем выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания, то увидим, что они содержат как продукты неполного сгорания (оксид углерода CO, оксиды азота NOx, несгоревшие углеводороды HC, сажа PM), так и продукты полного сгорания (диоксид углерода CO2 и вода. h3O).”
Топливный катализатор просто увеличивает насыщение кислородом молекул углеводородов за счет увеличения площади поверхности за счет разрушения кластеров углеводородных молекул и обнажения молекул внутри кластера, которые в противном случае не сгорели бы и выбрасывали бы выхлопные газы как потерянную энергию в виде выбросов.
Какие продукты, продаваемые как «катализаторы», не являются катализаторами
Существует большое количество разнообразных присадок и топливных добавок, которые продаются как катализаторы , хотя они не обладают ни одним из свойств катализатора.Все топливные присадки и добавки претерпевают химические изменения. Что еще более важно, добавки и добавки всегда нужно заменять на большее количество. Присадка к топливу сгорает вместе с топливом, с которым она смешана.
Моющее средство «Катализаторы»
Самыми распространенными присадками к топливу являются детергенты. Моющие средства предназначены для очистки внутренних компонентов двигателя внутреннего сгорания. Когда ископаемое топливо горит, ископаемое топливо всегда оставляет остаток. Поскольку ископаемое топливо никогда не сгорит полностью эффективно, углерод накапливается на внутренних компонентах.Накопление углерода внутри двигателя создает трение.
Когда происходит накопление нагара внутри двигателя, детали изнашиваются быстрее из-за увеличения нагрева. Другая проблема, связанная с дополнительным трением, создаваемым скоплением углерода, которое вызывает трение, — это более низкая топливная эффективность. Поскольку моющие средства для топлива удаляют нагар внутри двигателя и уменьшают трение, моющие средства чрезвычайно важны для обслуживания транспортного средства или машины. Однако моющие средства можно и не следует принимать за катализаторы.
Октановые и цетановые добавки
Как и моющие средства, октановые и цетановые добавки жизненно важны для функционирования транспортного средства, если октановое или цетановое число используемого топлива недостаточно высоко для предотвращения предварительного сгорания — также известного как детонация. Сегодня инженеры, работающие с бензиновыми двигателями, проектируют автомобили, для которых требуется топливо с более высоким октановым числом. Хотя некоторые люди могут полагать, что высокооктановый бензин означает более высокие характеристики, правда о высокооктановом бензине противоположна.
Высокооктановое топливо труднее сгорает, чем стандартный бензин.Причина, по которой высокооктановый бензин не воспламеняется так же легко, как бензин, произведенный без октановых добавок, заключается в том, что высокооктановый бензин имеет более низкую плотность энергии, чем бензин без присадок. Снижая удельную энергию бензина, инженеры предотвращают преждевременное сгорание топлива. Непрофессионалы называют предварительное сжигание термином «стук».
Когда поршни в двигателе поднимаются, если бензин слишком плотный, он воспламеняется в результате силы сжатия, а не воспламеняется, когда загорается свеча зажигания двигателя.За счет снижения летучести бензина — за счет повышения октанового числа бензина — инженеры могут проектировать двигатели с более высокой степенью сжатия. Двигатели с высокой степенью сжатия производят меньше выбросов и, теоретически, имеют более высокий тепловой КПД.
Термический КПД — это количество потерянной (потраченной впустую) энергии, деленное на общую энергию, вложенную в систему. Чем выше термический КПД, тем ниже выбросы и тем лучше расход топлива. Однако, поскольку высокооктановое топливо менее энергоемко, чем бензин без присадок, увеличение теплового КПД от высокооктанового топлива на самом деле не приводит к лучшему расходу топлива.
Однако высокооктановое топливо производит меньше выбросов и предотвращает детонацию. По существу, октановые и цетановые добавки к топливу имеют ценность. Но присадки к топливу с октановым числом и цетановым числом являются , а не топливными катализаторами. Присадки, повышающие октановое число и цетан, сгорают при сгорании топлива вместе с бензином или дизельным топливом при их сгорании.
Смазочные добавки
Дизель — густое топливо с высокой смазывающей способностью, которое помогает снизить трение в двигателе внутреннего сгорания перед сгоранием.Бензина же нет. Бензин — легкое топливо, которое легко испаряется, особенно при взбалтывании. Хотя бензин не увеличивает трение в двигателе внутреннего сгорания, внутренние компоненты бензинового двигателя изнашиваются быстрее, чем компоненты дизельного двигателя, если они не смазаны должным образом. Хотя моторное масло смазывает большинство компонентов двигателя, которые в противном случае пострадали бы от воздействия высокой температуры / среды с высоким коэффициентом трения, моторное масло не достигает всех из них.
Смазочные присадки к топливу помогают снизить трение между компонентами двигателя внутреннего сгорания, которые моторное масло не смазывает. Смазывая двигатель, смазочные присадки увеличивают срок его службы, а также повышают его эффективность.
Ценны для продления срока службы двигателя и повышения теплового КПД, тем самым повышая эффективность использования топлива. Смазочные присадки являются , а не катализаторами . Как и почти все другие присадки, смазочные присадки сгорают при попадании в камеру сгорания бензинового двигателя.
Каталитические преобразователи
По физическому составу каталитические нейтрализаторы имеют больше общего с топливными катализаторами, чем любые присадки, детергенты или смазки. Во-первых, рабочие компоненты каталитического нейтрализатора — это истинных катализаторов, благородных металлов. Каталитические нейтрализаторы устанавливаются на выхлопной линии между выпускным коллектором и выхлопной трубой. Благородные металлы в катализаторе нагреваются до чрезвычайно высоких температур. После нагрева каталитический нейтрализатор сжигает несгоревшее топливо, выходящее из двигателя.
Без каталитического нейтрализатора несгоревшее топливо выбрасывается в выхлопные газы как токсичные выбросы. Что касается снижения выбросов, ни один псевдокатализатор не сравнится с каталитическим нейтрализатором. Однако каталитический нейтрализатор , а не не улучшает топливную эффективность. Фактически, создавая противодавление, которое вызывает обратный поток выхлопного воздуха в двигатель, каталитический нейтрализатор фактически снижает топливную эффективность так же, как это делает глушитель.
Топливные катализаторы
Опять же, топливный катализатор похож на каталитический нейтрализатор по материалам, из которых он сделан.И, как и каталитический нейтрализатор, топливный катализатор снижает выбросы. Однако, в отличие от каталитического нейтрализатора, который снижает выбросы путем катализа выбросов в качестве устройства дожигания, топливный катализатор представляет собой механическое устройство перед сгоранием.
Топливные катализаторы устанавливаются на топливопроводе перед впускным клапаном дизельного двигателя. Назначение топливного катализатора — гомогенизировать смесь дизельного топлива до того, как смесь достигнет форсунок двигателя.
Повторюсь, все ископаемые виды топлива в их естественном состоянии представляют собой гетерогенную смесь углеводородов и загрязняющих веществ.Топливо с наибольшей плотностью энергии — дизельное топливо, мазут и бункерное топливо — представляют собой наиболее неоднородные смеси. По той же причине тяжелое топливо обычно является топливом с высокой плотностью энергии, тяжелое топливо — плохая смесь. Причина — большие молекулы углеводородов и длинные молекулярные цепи углеводородов.
Топливо с низкой плотностью энергии, такое как бензин и природный газ, смешиваются более равномерно, поскольку молекулы углеводородов малы, как и их молекулярные цепи углеводородов. Они не слипаются с такой же скоростью, как молекулы в тяжелом топливе с высокой плотностью.Естественная поляризация крупных молекул углеводородов заставляет их слипаться.
Благородные металлы в топливном катализаторе нейтрализуют заряд, который удерживает большие углеводородные молекулы и молекулярные цепи вместе в кластеры. Получающаяся в результате гомогенная смесь дизельного топлива сгорает более эффективно, что увеличивает топливную экономичность и снижает выбросы.
Если топливный катализатор не увеличивает топливную эффективность и не снижает выбросы, это не настоящий топливный катализатор.
Центр производства катализаторов | Университет Рутгерса, химическая и биохимическая инженерия
Катализаторы являются важными компонентами многих промышленных процессов, от каталитических нейтрализаторов и топливных элементов до производства новейших лекарств.Мировые продажи гетерогенных и гомогенных катализаторов составляют десятки миллиардов долларов в год, при этом темпы роста составляют около 5% в год. Помимо их промышленного значения, катализаторы оказывают значительное воздействие на окружающую среду. Количество энергии и сырья, необходимых для производства химикатов, значительно сокращается за счет использования катализаторов. Каталитические нейтрализаторы в значительной степени снижают загрязнение воздуха от автомобилей и, таким образом, являются важным приложением в области экологической инженерии. Дизельное топливо с низким содержанием серы и бензин невозможно рентабельно производить без катализаторов гидрообессеривания, что приводит к снижению выбросов диоксида серы (SO2) в результате использования этих видов топлива в автомобилях, грузовиках, самолетах и кораблях.
Катализаторы на носителе включают распределение активного каталитического материала (который обычно представляет собой металл) через пористый твердый носитель. Современные катализаторы на носителе имеют много преимуществ, таких как большая площадь поверхности, небольшое количество зачастую дорогостоящего активного металлического компонента и высокая механическая и термическая стабильность. Конструкция типичного катализатора на носителе включает в себя большое количество качественных характеристик. Для гранул катализатора это может включать в себя заданные количества активного металла (ов) в носителе, заданное распределение активного металла (ов) от центра к поверхности и заданную дисперсию.Оптимальное качество катализатора позволяет проводить химические реакции наиболее эффективным, экономичным и экологически безопасным способом и, таким образом, сокращать использование сырья, потребность в энергии и выбросы парниковых газов. Оптимизация производственных этапов может снизить вариабельность от партии к партии и потенциально может снизить содержание металла в катализаторах, тем самым снижая производственные затраты. На химических и нефтехимических предприятиях высококачественные катализаторы могут снизить потребность в сырье и потребление энергии за счет повышения выхода реакции и селективности.Повышенный выход реакции позволяет использовать реакторные сосуды меньшего размера, более низкие рабочие температуры и более эффективное использование реагентов. Более высокая селективность снижает потребность в дорогостоящих и энергоемких этапах разделения. Хотя разработка и приготовление катализаторов изучались в течение многих лет, многочисленные аспекты различных стадий производства катализаторов до сих пор полностью не изучены, и в промышленности разработка и масштабирование стадий производства катализаторов часто выполняются методом проб и ошибок.
Производство промышленных катализаторов включает в себя несколько технологических этапов, таких как приготовление и смешивание растворов или суспензий, кристаллизация, фильтрация, промывка, смешивание и замешивание порошков, формовочная сушка, пропитка и прокаливание.
Перед началом любого процесса подготовки необходимо тщательно выбрать активную металлическую фазу и основу. Активный металлический компонент должен быть хорошо диспергирован, чтобы иметь большую площадь поверхности при контакте с подложкой.С другой стороны, опора должна быть из пористого и жаропрочного материала. Некоторые общие технологические этапы производства катализатора обсуждаются ниже.
Пропитка: Во время этого процесса раствор, содержащий активные металлические компоненты (т.е. прекурсоры), добавляется к пористым носителям катализатора. Капиллярное действие втягивает раствор в поры, а прекурсоры металлов адсорбируются на носителе с большой площадью поверхности. Это первый случай, когда предшественник металла контактирует с твердыми подложками.Если объем раствора меньше объема пор носителя, процесс также известен как пропитка по начальной влажности или сухая пропитка. Сухая пропитка обычно проводится во вращающемся сосуде, в то время как раствор металла распыляется на частицу носителя. Этот метод широко используется и до сих пор считается фаворитом в отрасли из-за своей простоты с практической точки зрения. В процессе сухой пропитки потенциально могут использоваться многие типы смесителей для гранулирования, включая двухконусные смесители, v-образные смесители и смесители с вращающимся барабаном.Скорость распыления, скорость вращения и положение форсунки существенно влияют на распределение раствора. Другими параметрами, которые необходимо учитывать, являются концентрация раствора, объем пор носителя, а также тип и концентрация участков поглощения на поверхности. Однородность продуктов катализатора является одной из основных проблем в этом процессе. После стадии пропитки требуется, чтобы в каждой частице / таблетке катализатора была получена аналогичная загрузка металла.
Сушка: Материалы проходят процесс сушки после пропитки для удаления растворителей с основы.Если скорость сушки низкая, соли металлов будут глубоко диффундировать в порах носителя, а если скорость сушки высокая, на внешней поверхности носителя будет происходить осаждение. Что касается распределения активного компонента в носителе, можно выделить четыре основных категории металлических профилей: однородные, яичный желток, яичная скорлупа и яичный белок. Выбор желаемого профиля металла определяется требуемой активностью и селективностью и может быть адаптирован для конкретных реакций и / или процессов.Экспериментальные работы показали, что распределение металла в носителе в основном определяется стадиями пропитки и сушки. Некоторые факторы, влияющие на процесс сушки: скорость нагрева, степень насыщения жидкостью, вязкость жидкости, объем пор и распределение пор по размерам.
Прокаливание: Прокаливание — это дополнительная термообработка после сушки. На стадии прокаливания происходят поверхностные реакции газ-твердое тело и твердое тело-твердое тело. Прокаливание приведет к разложению предшественника металла с образованием оксида и удалению газообразных продуктов и ранее введенных катионов или анионов.Во время прокаливания может происходить спекание предшественника или образовавшегося оксида и реакция оксида металла с носителем. В случае оксида алюминия в качестве носителя, если прокаливание выполняется при температурах около 500-600 ° C, оксиды двухвалентных металлов могут реагировать с оксидом алюминия на поверхности носителя, образуя алюминаты металлов, которые более стабильны, чем оксиды. Окисление уменьшает размер металлических частиц, что сильно влияет на дисперсию металла (размер и форму металлических частиц на поверхности носителя) на наномасштабе.При прокаливании катализаторов требуется тщательный контроль температуры.
Фильтрация: Фильтрация — это один из процессов разделения твердой и жидкой фаз, которые широко используются в производстве катализаторов для осажденных или кристаллизованных частиц катализатора. При фильтрации кека поток суспензии твердых частиц, управляемый давлением или вакуумом, через мембрану фильтра или фильтровальную ткань вызывает разделение, и осадок, образованный из твердых частиц, со временем накапливается на мембране фильтра или фильтровальной ткани.Как правило, фильтрующая среда (мембрана или ткань) имеет довольно большие отверстия, и более строгая фильтрация осуществляется за счет самой корки, которая представляет собой пористую среду, в которой поры представляют собой промежутки между частицами. Обычно проводится последующая промывка фильтрационной корки с целью удаления остаточных электролитов.
Центр производства катализаторов работает уже более 15 лет. Наша миссия — продвигать инновационные исследования в области производства катализаторов и обучать новое поколение исследователей теоретическим инструментам и инженерным приложениям.Конкретные цели центра:
- Создание и поддержание Центра передового опыта в области исследований в области производства катализаторов
- Для углубления фундаментального понимания операций по производству катализаторов
- Разработать новую технологию для эффективного производства катализаторов
- Для предоставления ресурсов по исследованиям, разработкам и образованию для промышленности
Объединив значительный опыт в технологии частиц, оптимизации, многомасштабном моделировании, катализе и молекулярном моделировании, доступный в Rutgers, мы разрабатываем и продвигаем научно обоснованные методы для проектирования и оптимизации методов и процессов производства катализаторов, таких как пропитка, сушка, прокаливание, фильтрация и т. д.Это интегрировано с рядом образовательных мероприятий, включая исследовательскую подготовку студентов, аспирантов и докторантов в области производства катализаторов. Комбинация экспериментов и компьютерных моделей была использована для улучшения понимания и эффективности операций блока, используемых для изготовления катализаторов. Эти знания, а также полученные в результате методы и практики были переданы промышленным партнерам, чтобы помочь преобразовать этот важный сегмент мировой экономики в наукоемкое предприятие.
Для получения дополнительной информации щелкните здесь, чтобы просмотреть брошюру
В настоящее время в состав входят 8 компаний, занимающихся разработкой и производством катализаторов. Размеры компаний варьируются от малых до крупных.
Бен Глассер (директор)
Билл Боргард
Фернандо Муццио
Сильвина Томассоне
Альберто Куитино
Центр производства катализаторов выражает признательность доктору Арту Честеру за поддержку и вклад. Арт помог создать Центр производства катализаторов и много лет был приглашенным профессором в Rutgers.Арт скончался в 2015 году после продолжительной болезни. Арт был прекрасным наставником для многих преподавателей, аспирантов и студентов Рутгерса, и мы получили большую пользу от его мудрости.
За дополнительной информацией обращайтесь:
Проф. Бен Глассер
Директор, Консорциум по производству катализаторов
Химическая и биохимическая инженерия
Университет Рутгерса
98 Бретт-Роуд
Пискатауэй, штат Нью-Джерси, 08854, США
Catalyst Advanced удаляет загрязняющие вещества при низких температурах — ScienceDaily
Исследователи из Университета штата Вашингтон, Университета Нью-Мексико, Технологического университета Эйндховена и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории разработали катализатор, который может выдерживать высокие температуры и преобразовывать загрязняющие вещества в непосредственной близости от комнаты. температура — важный шаг в уменьшении загрязнения в современных автомобилях.
Они сообщают о своей работе в журнале Nature Communications .
Каталитические нейтрализаторыиспользуются в США с 1970-х годов как способ очистки выхлопных газов автомобилей. В каталитическом процессе редкие металлы, такие как платина, используются в химической реакции для преобразования оксида углерода и других загрязнителей в нетоксичный диоксид углерода, азот и воду.
Однако по мере того, как автомобили стали более экономичными, они потребляют меньше энергии, а температура выхлопных газов ниже, что затрудняет очистку от загрязняющих веществ.Фактически, Министерство энергетики США поставило цель удалить 90 процентов вредных выбросов при температуре 150 градусов Цельсия или ниже.
Катализаторы должны работать при низких температурах, но также должны выдерживать суровые условия эксплуатации.
«Проблема катализатора парадоксальным образом обострилась по мере того, как автомобили стали лучше и эффективнее», — сказал Эмиль Хенсен, профессор катализа в Технологическом университете Эйндховена.
Между тем промышленность также борется с высокой стоимостью драгоценных металлов, необходимых для катализа.Платина, например, облегчает химические реакции для многих широко используемых продуктов и процессов, но стоит более 800 долларов за унцию.
Катализатор, разработанный исследователями, основан на активации отдельных атомов платины, нанесенных на оксид церия. Хотя их катализатор превосходит современные технологии, он также снижает необходимое количество платины, что снижает общие затраты.
«Промышленность хочет использовать каждый атом драгоценных металлов, поэтому одноатомный катализ привлекает повышенное внимание», — сказал Абхая Датье, выдающийся профессор кафедры химической и биологической инженерии UNM.
В своей последней работе исследователи сначала убедились, что их катализаторы являются термостойкими, улавливая ионы платины на подложке из оксида церия при очень высоких температурах. Их метод синтеза заставил атомы платины прочно прикрепиться к своей опоре. Затем они активировали катализатор в окиси углерода при температуре около 275 градусов по Цельсию.
«К нашему удивлению, мы обнаружили, что высокотемпературный синтез делает церий более легко восстанавливаемым, что позволяет ему предоставлять ключевой ингредиент — кислород — в активные центры», — сказали Йонг Ван, заслуженный профессор в области генов Войанда, и Линда Войланд. Школа химической инженерии и биоинженерии в WSU.
Активированный кислород затем смог удалить загрязнители при температуре, близкой к комнатной, на участках с платиной.
«Это исследование напрямую направлено на решение проблемы 150 градусов, выявленной Министерством энергетики США и автомобильными компаниями», — сказал Ван. «Открытие активации кислорода при температуре, близкой к комнатной, чрезвычайно полезно, и это открытие может оказать значительное влияние на технологию контроля выбросов выхлопных газов».
Теперь исследователи планируют изучить эффективность одноатомных катализаторов с другими органическими соединениями и загрязнителями.Работа финансировалась Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США и Нидерландским исследовательским центром многомасштабного каталитического преобразования энергии.
История Источник:
Материалы предоставлены Вашингтонским государственным университетом .