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雖然按照催化劑的定義是催化劑并不會在化學(xué)反應(yīng)過程中被消耗掉,反應(yīng)前后催化劑仍能維持原來的化學(xué)狀態(tài),且能繼續(xù)起到催化作用。但在實(shí)際過程中不能無限次的使用,催化劑經(jīng)過多次使用后會失活,因?yàn)榇呋瘎┰谝欢囟取毫突瘜W(xué)反應(yīng)作用下會發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化,如催化劑破碎、晶格形變、孔結(jié)構(gòu)和比表面積變化、活性組分流失、活性位被覆蓋以及反應(yīng)產(chǎn)物在表面上結(jié)焦或積炭等。催化穩(wěn)定性是指催化劑的活性和選擇性隨時間變化的情況,可用于衡量催化劑保持活性和選擇性的能力,常使用使用壽命、循環(huán)次數(shù)、熱分解溫度、耐酸堿性和機(jī)械強(qiáng)度等參數(shù)。其中催化劑壽命是指在使用條件下,維持一定活性水平的時間(單程壽命)或每次活性下降后經(jīng)再生而又恢復(fù)到要求的活性水平的累計時間(總壽命);壽命是對催化劑穩(wěn)定性的總括描述。測試一種催化劑的活性和選擇性費(fèi)時不多,而要了解其穩(wěn)定性則需要花費(fèi)大量時間。
對于工業(yè)催化而言,穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。催化劑的穩(wěn)定性主要包括:
①化學(xué)穩(wěn)定性:催化劑的化學(xué)組成與化學(xué)狀態(tài)在催化過程中穩(wěn)定,活性組分與助劑不發(fā)生反應(yīng)或流失,當(dāng)然針對特定的催化環(huán)境,要求催化劑能夠耐堿、耐酸或耐強(qiáng)氧化性等。
②耐熱穩(wěn)定性:催化劑在催化過程中不發(fā)生燒結(jié)、微晶長大和晶相轉(zhuǎn)變等變化;一種良好的催化劑,應(yīng)能在高溫苛刻的反應(yīng)條件下長期具有一定水平的活性。大多數(shù)催化劑都有使用極限溫度,超過一定范圍活性就會降低,甚至完全失活。衡量催化劑的熱穩(wěn)定性,是將使用溫度開始逐漸升溫,記錄催化劑能忍受多高的溫度和維持多長時間而活性不變,耐熱溫度越高、時間越長,則催化劑的壽命越長。
③抗毒穩(wěn)定性:催化劑抗吸附活性毒物失活的能力稱為抗毒穩(wěn)定性,這些毒物泛指含硫、磷、鹵素和砷等化合物,可能是原料中的雜質(zhì),也可能是反應(yīng)中產(chǎn)生的副產(chǎn)物或中間化合物;各種催化劑對各種有害雜質(zhì)有著不同的抗毒性,同一種催化劑對同一種雜質(zhì)在不同的反應(yīng)條件下也有不同的抗毒能力。衡量催化劑抗毒穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)有以下幾條:在反應(yīng)氣中加入一定量的有關(guān)毒物,使催化劑中毒后,再用純凈的原料氣進(jìn)行測試,觀察其活性和選擇性保留的程度;在反應(yīng)氣中逐量加入有關(guān)毒物,至活性和選擇性維持在給定的水平,觀察毒物的最高允許濃度;將中毒后的催化劑通過再生處理,觀察其活性和選擇性能否恢復(fù)及其恢復(fù)的程度。
④機(jī)械穩(wěn)定性:催化劑抗摩擦、沖擊和重力作用的能力稱為機(jī)械穩(wěn)定性,其決定了催化劑使用過程中的破碎和磨損。機(jī)械穩(wěn)定性高的催化劑能夠經(jīng)受得住顆粒與顆粒之間、顆粒與流體之間以及顆粒與器壁之間的摩擦。
催化劑在使用過程中,效率會逐漸下降,影響催化過程的進(jìn)行。例如因催化活性或選擇性下降,以及因催化劑粉碎而引起床層壓力降增加等,均導(dǎo)致生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益降低,甚至無法正常運(yùn)行。引起催化劑效率衰減而縮短其壽命的原因很多,主要有:原料中雜質(zhì)的毒化作用;高溫時的熱作用使催化劑中活性組分的晶粒增大,從而導(dǎo)致比表面積減小,或者引起催化劑變質(zhì);反應(yīng)原料中的塵?;蚍磻?yīng)過程中生成的炭沉積物覆蓋了催化劑表面;催化劑中的有效成分在反應(yīng)過程中流失;強(qiáng)烈的熱沖擊或壓力起伏使催化劑顆粒破碎;反應(yīng)物流體的沖刷使催化劑粉化吹失等。
催化反應(yīng)過程中,因以上敘述的多種原因可使催化劑的活性和選擇性下降,若采取適當(dāng)措施可以保持催化劑的穩(wěn)定性,使其有足夠長的壽命。如催化劑中加入某些助劑可以提高活性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和催化劑的導(dǎo)熱性;純化反應(yīng)物料以避免催化劑中毒;提高催化劑的機(jī)械強(qiáng)度以減少催化劑的磨損、破碎以及合理的再生等措施。