近年来,由于气相色谱技术的发展,被广泛地用于复相催化的研究,一方面的研究是探讨复相催化剂表面、结构的特征。另一方面是对复相催化反应本身进行研究。我们主要讨论后一方面的工作。而这方面工作又可以分为两类、一类是色谱方法分析微型催化反应体系的反应产物,从而对催化剂的活性、反应动力学与反应机理进行研究、这类工作常称为微型催化色谱技术,另一类是将催化剂填充到色谱柱中,色谱柱同时担负催化反应与色谱分离的双重作用,从而对催化反应进行研究,这类工作可称为色谱催化。本文将对微型催化色谱技术进行简略地探讨。
利用微型催化色谱技术研究催化反应具有微量、快速、自动化或半自动化的优点。微型催化色谱技术又可分为两类,一类可称为脉冲流动技术,另一类可称为稳态流动技术、微型催化色谱既可以作一般催化剂活性测定的评选工作,也可以作其一系列催化动力学的数据测定,进而究其反应机理。
微型催化色谱的脉冲技术,其框图可如图146所示,此法以流速恒定的载气通过催化剂床层(微型反应器),反应物以脉冲方式进料,产物由载气带入色谱仪进行分析。由于脉冲进料催化剂表面是纯净的,故如此测得的是催化剂的初活性而非稳定态活性,由色谱仪分析可测定反应物的转化率与产物的产率,改变载气的流速可以测定反应速率方程与反应速率常数,由不同反应温度下的测定可以求得活化能与指数前因子等动力学数据。此法设备简单易行。但在反应物被强吸附的情况下会出现产物色谱峰严重拖尾的现象,而造成困难。
为克服反应物被强吸附情况下造成的困难、可采用微型催化色谱的稳流技术。其框图如图147所示。反应气连续进入反应器,尾气进行搜集或排空,每隔一定时间,用载气将反应器出口的物料带入色谱仪进行分析。如此也可以进行催化剂活性与反应动力学的研究,此法对于反应物被强吸附的情况也可应用,例如可用收集器收集产物进行分析。此法的缺点是设备比较复杂,操作也比较庥烦。
为克服上述不足,针对反应物被强吸附的特殊情况,最近提出了一种微型催化色谱的断流技术。此法的框图基本上与脉冲技术相同(图146)其区别只在于操作方法不同。今以乙醇催化脱水生成乙烯的反应为例。乙醇在氧化铝催化剂上是强吸附的,脉冲进料,得到乙烯的长拖尾峰的色谱图,如图148所示。如进料一定时间t以后,进行断流操作,停止通入载气以一短暂的时间间隔△t可以出现一尖削的断流峰,如图149所示。
因为乙醇脱水为一级反应,其反应速率:r=-da/dt=ka。其中a表示乙醇的浓度,其反应动力学方程为:a=a0e-kt。将此式代入前面公式并取对数得:
㏑r=㏑(ka0-kt)
在断流操作下出现断流峰,其半峰宽相同,断流时间间隔△t相同,因而断流时间间隔内产物积累量及此时间间隔的平均反应速率r均与断流峰高h成正比。因此,由上式合并常数项后可得:
㏑h=b-kt/2.303
其中b为与时间t无关的常数,故如以lgh对t作图可得直线,如图150所示为不同温度下的结果。由直线斜率可求得不同温度下的反应速率常数k,进而可求反应的活化能。