载体的分类和使用
三水锰矿 / 2021-07-26
第九节 载体的分类和使用
载体是催化剂的主要成份之一。在研制催化剂时应当先了解载体的物理化学性质，以便选择合适的载体。
载体有做成微粒子、比表面积大的细孔物质，也有制成粗粒子、比表面积非常小的物质。根据构成粒子的状况，可大致分为微粒载体、粗粒载体和支持物三种(表2-17）。
实用上选择载体时，要考虑化活性物质的物理化学性质、催化反应类型以及反应操作条件等各种因素。通常主要考虑如下几种:(1)化学组成和分散度；(2)表面的物理化学性质一一多孔性、吸附、电学性质和机械强度；(3)活性物质在载体上可能附载的厚度、数量；(4)载体的活性表面和比值:活性物质原子/载体原子；(5)比热和导热性；(6)抗磨耗性、硬度和压碎强度；(7)反应条件下的稳定性。
在工业上，根据反应器形式的不同，要求载体具有各种形状和大小。大致有如下的五种类型:
(1)固定床用直径为4～10毫米的圆柱、球形、粒状或环状等。
(2)流化床用直径约为20～150微米或更大直径的微球颗粒。
(3)流动床用直径为1～2毫米的粒状或微球。
(4)移动床用直径为数毫米或数毫米以上的球状。
(5)液相中悬浮床用直径由1微米的微粉到直径为1～2毫米的粒子。
虽然没有恰当的方法对载体物质进行分类，但从实用的角度按载体的孔性结构进行分类比较好。
一、小面积载体
当催化活性组份活泼到可以使用小的表面积时，这一类型的载体是很有用的。
小面积载体可分为无孔的和多孔的两种：
1.无孔的 筛分过的(+200目)无孔物质属于这类载体。常用的有效的物质是磨细的玻璃、刚铝石、碳化硅和富铝红柱石。这类载体仅用于不允许产物深度反应，以防所需要的产物遭到破坏的情况(如烃类部分氧化反应)。
2.多孔的 常用的多孔小面积载体有下列几种：
(1)刚铝石和碳化硅聚集体这些粗孔物质是由无孔的氧化铝和碳化硅粉末，经过压片或挤条，然后加热到足够高的温度，使触点融结后制成的。助熔剂或粘合剂也可以用来帮助这些粒子粘合。这些物质具有高的硬度和导热率。由于它们的比表面积小，所以应用范围受到了限制。
(2)浮石、耐火砖等浮石来源于火山的细硬光滑的融岩。它是钠、钾、钙、镁和铁的复杂的硅酸盐，广泛地用为载体。耐火砖有相似的性质，有时也用作载体。
(3)硅藻土硅藻土也叫腐石，它几乎全部是由半无定形的二氧化硅(白石)组成。由煅烧、压碎和筛选原始物质制成工业用的硅藻土。有时采用“熔化一煅烧”来改善它的性能。虽然硅藻土载体没有大的表面积，但是制成的催化剂具有大量的气孔，适用于固定床操作。煅烧过的制品对热是很稳定的。现在所采用的磨细的聚集体，由于抗磨性低，不适于用作沸腾床催化剂的载体。
(4)金属金属通常不用作载体，但由于它们具有高的热导率、机械强度大和容易制造，所以在某些特殊情况下也用作载体。不经处理的金属对催化活性组份粘着性能很差，除作为一些小面积的无孔载体使用外，使用价值不大。但是，当采用多孔的金属载体时，如多孔的不锈钢和熔结的金属物质，则会得到许多应用最主要的特点，是可以把它们制成薄片形式，使反应物能均匀的穿过孔隙而无过度的压力降。这样可使反应物与催化剂接触良好。如果所需要的产物会进一步的反应时，这一点就显得非常重要。
二、大面积载体
大面积载体也可以分为无孔的和有孔的两种。
1.无孔载体这类物质通常称为颜料型物质，它们的比表面积超过5平方米/克，且具有亚微粒子的大小。例如高岭土、氧化铁顔料、炭黑、二氧化钛和氧化锌。
使用这类载体的一般步骤是，加入一种催化活性组份的溶液(喷酒或用其他方法)，再用压片或挤压法得到所需大小和形状的粒子。然后进行热处理以除去水份和分解催化活性物质盐类等。如用这类物质作流化床催化剂的载体时，必须采用聚集的方法。但在聚集的情况下，它们已属于多孔性载体。
2.多孔的这一类型载体的比表面通常超过50米克，且孔隙一般大于0.2厘米/克。其基本粒子(胶粒)和孔的大小一般小于200。这类载体常用于需要催化剂具有高活性或稳定性的情况。当然，载体的稳定性必须与活性组份的稳定性同时考虑。当反应产物可能进一步反应，并且把选择性作为重要条件时，宁可选取较小面积和较大孔径的载体。因为这时接触时间比较均一。当活性物质能适当地分布在载体上时，用大面积载体就能保证得到高活性的催化剂。但要加入足够量的活性组份，使载体的全部表面被覆盖。这个量通常比理论计算的要多得多。如果催化活性组份沉积成单分子层，覆盖表面所需要的量可用下式估算出来:
催化活性物质重量/载体重量
式中
S一一载体的比表面，平方米/克；
M一一催化剂活性物质的分子量；
d一一催化剂活性物质的密度；
N一一亚佛加德罗常数。
上式假定活性物质如在主体相中一样占有相同的空间，当然，这是近似的。例如，若硅胶载体表面积为500平方米/克，活性物质是γ-氧化铝(M=102，d=3.5)，则氧化铝重量/载体重量=
一般可以认为，用大面积载体可以使得被载物质的催化活性有显著的改变，这是由于被载物质高度分散所致。各种常用的大面积多孔载体有下列几种:
(1)天然产物 膨润土、铁铝氧石、多水高岭土和粘土矿的沉积物，经过洗涤、酸处理和煅烧，然后使用。
(2)合成无机骨架物质 大面积的氧化铝和氧化镁产物，可用它的结晶水合物或氢氧化物经热处理而制得。虽然原来的物质有许多小孔(在氧化镁中直径约为50)，但由于失去了水份，结果形成了具有大结构的骨架型产物。从含有SiO2(50％)、Al2O3(10％)、碱金属氧化物(5％)、氧化硼(20％)和P2O5(15％)组成的一种玻璃质中洗去可溶性组份后，可以得到多孔玻璃。
(3)活性炭 由烟煤、褐煤、木材或其他含碳物质，通过煅烧、蒸汽处理等方法可制得骨架结构的大比表面活性炭。并且可以制备出比表面超过1000米2/克和具有分子大小的孔径的结构。活性炭的物理结构，如比表面和孔隙度等决定于活化过程。活性炭是化剂常用的载体之一。
(4)合成的干凝胶 干凝胶型的产品是由胶体粒子聚集而成的水凝胶经干燥而制得的。由于胶粒很小和具有针状或球型的结构，不能紧密堆积，使它具有大的比表面和孔隙率。
最重要的凝胶型载体是以硅胶为基础的产物，呈球形(通常约50Å)的聚集体结构。这种结构在600℃或更高的温度下仍很稳定。在脱水前，可以由水凝胶陈化、热处理等方法增加胶粒间的作用力，使在干燥时减少胶粒重排，减少体积收缩，因而有较高的孔隙率。
凝胶型载体也可以由胶态分散状的其他氧化物，如二氧化钛、氧化铝和氧化铁而制得。
三、其他体物质
1.含水凝胶和水凝水泥这类物质是含水凝胶或者是加入水而变成的。用作载体有很大的优点。它象粘合剂一样，使催化剂有很好的机械强度和可塑性，以致能够挤压成形。
2纤维状物质这是一类只有有限用途的载体，它包括象可以制成纤维状的石棉、玻璃、金属等物质。因为这些物质可以织成织物、网席或以羊毛的形式使用，所以在床层中的压力降通常都很小。
(2).png "催化活性物质重量/载体重量"){kind=small}
.jpg "氧化铝重量/载体重量"){kind=small}
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