LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I HETEROGENICZNEJ PREPARATYKA KATALIZATORA POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW PREPARATYKA KATALIZATORA Miejsce ćwiczenia: Zakład Chemii Fizycznej, sala 109 LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I HETEROGENICZNEJ 1

2 I. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z otrzymywaniem katalizatora heterogenicznego, poprzez nanoszenie fazy aktywnej na nośnik metodą impregnacji suchej. II. WSTĘP, PODSTAWY TEORETYCZNE W metodzie nanoszenia, nośnik poddaje się, przez określony czas, działaniu roztworu zawierającego składnik aktywny. Nadmiar roztwory niezwiązany z nośnikiem usuwa się przez odsączenie, suszenie lub odparowanie, a otrzymany prekursor katalizatora poddaje się dalszej obróbce cieplnej. Oddziaływanie aktywnego składnika, znajdującego się w roztworze, z nośnikiem może mieć różny charakter. Roztwór może ulegać adsorpcji na powierzchni nośnika z wytworzeniem kompleksów powierzchniowych różnego rodzaju, składniki roztworu mogą ulegać wymianie jonowej z powierzchniowymi grupami (np.: grupami hydroksylowymi nośnika) lub reakcji chemicznej, wreszcie siły oddziaływania mogą być stosunkowo słabe, a adsorpcja składnika aktywnego może mieć charakter adsorpcji fizycznej. W zależności od typu oddziaływania dzieli się często metody nanoszenia z roztworu na adsorpcyjne, jonowymienne i impregnacyjne. Jedną z popularniejszych metod osadzania składników aktywnych na nośniku jest metoda impregnacji pierwszej wilgotności (impregnacja sucha). Technika ta polega na napełnianiu porów nośnika roztworem soli metalu o odpowiednim stężeniu, dobranym w taki sposób, aby otrzymać założony stopień pokrycia powierzchni nośnika fazą aktywną. Na uprzednio przygotowany nośnik wprowadza się określoną ilość roztworu impregnacyjnego, taką aby zapełnić całkowicie pory nośnika i nieznacznie zwilżyć powierzchnię ziaren nośnika. W metodzie tej bezwzględnie należy przestrzegać reguły, że objętość roztworu impregnacyjnego musi być równa lub tylko o kilka procent większa od objętości porów nośnika. Następnym etapem jest krystalizacja soli na powierzchni nośnika. W tym celu katalizator suszy się w odpowiednio dobranych warunkach, takich aby pokrycie powierzchni solami metali było równomierne. Zbyt krótki czas suszenia i związany z tym efekt gradientu temperatury, może powodować krystalizację substancji na zewnętrznej powierzchni ziaren nośnika (na zewnątrz porów). Gdy suszenie jest zbyt wolne to krystalizacja może następować w dolnej i środkowej części porów. Po etapie suszenia należy przeprowadzić kalcynację preparatu. W procesie kalcynacji w wysokiej temperaturze następuje przekształcenie soli metalu w tlenek metalu. Ostatnim etapem preparatyki jest aktywacja. Jeżeli sam tlenek stanowi fazę aktywną, wtedy aktywacja jest zbędna. W przypadku, gdy fazę aktywną stanowi metal lub siarczek, etap aktywacji polega na przekształceniu tlenku w metal (wygrzewanie w 1

3 atmosferze redukującej w obecności np.: CO, H 2 ), lub w siarczek (siarczkowanie z użyciem np.: H 2 S). III. WYKONANIE ĆWICZENIA Szkło Zlewka, pipeta, bagietka, moździerz porcelanowy, szpatułka, sita Odczynniki γ-al 2 O 3 Co 3 O 4 Fe 2 O 3 CuO NiO Fe(NO 3 ) 3 9H 2 O Co(NO 3 ) 2 6H 2 O Cu(NO 3 ) 2 3H 2 O Ni(NO 3 ) 2 6H 2 O Cu(HCOO) 2 Cu(CH 3 COO) 2 H 2 O Przebieg ćwiczenia Należy otrzymać katalizator heterogeniczny w postaci odpowiedniego tlenku metalu (faza aktywna) zadanego w temacie ćwiczenia naniesionego na nośnik γ-al 2 O 3. Sporządzenie preparatu przebiega następująco: 1. Przygotowanie nośnika do impregnacji W celu przygotowania nośnika katalizatora należy odważyć 10 g γ-al 2 O 3. Następnie w moździerzu porcelanowym należy rozdrobnić granulki nośnika. Po odpowiednim rozkruszeniu, nośnik trzeba przesiać przez sita o wybranym rozmiarze oczek, takim, żeby uzyskać proszek o zadanym w temacie ćwiczenia rozmiarze ziaren. Następnie należy zważyć 2 g przygotowanego nośnika i przesypać do zlewki o pojemności 25 ml. 2. Wyznaczenie pojemności sorpcyjnej nośnika W celu wyznaczenia pojemności sorpcyjnej nośnika należy odważyć 3g przesianego γ-al 2 O 3, a następnie miareczkować wodą destylowaną. Oznaczenie powtórzyć dwukrotnie. Następnie obliczyć chłonność nośnika wyrażoną w cm 3 g Przygotowanie roztworów prekursorów (roztwór impregnacyjny) W celu przygotowania roztworu impregnacyjnego, należy obliczyć wielkość odważek poszczególnych soli metali (prekursorów), potrzebnych do uzyskania zadanego w temacie ćwiczenia ułamka wagowego fazy aktywnej (tlenku metalu) w syntezowanym preparacie. 2

4 Na szkiełkach zegarkowych należy odważyć określoną ilość odpowiednich soli metali (prekursorów). Następnie zważone sole należy przenieść ilościowo do cylindra miarowego o pojemności 5 ml i rozpuścić w takiej ilości wody destylowanej aby całkowita objętość roztworu impregnacyjnego nie przekroczyła wyznaczonej objętości porów nośnika. 4. Nanoszenie prekursorów na nośnik (metoda impregnacji) Do uprzednio przygotowanego nośnika należy dodać niewielką porcję roztworu impregnacyjnego i całość wymieszać szpatułką. Czynności te powtarzać do momentu zużycia całego roztworu impregnacyjnego. 5. Suszenie Preparat suszyć na powietrzu przez 24 h. 6. Prażenie Wysuszony preparat umieścić w parownicy szklanej i przenieść do pieca. Prażyć przez 5 h w temperaturze 500 C. 3

5 IV. ZASADY BEZPIECZENSTWA I UTYLIZACJI ODPADÓW UWAGA: W razie niepożądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia Odczynnik Klasyfikacja Środki bezpieczeństwa γ-al 2O 3 Fe 2O 3 Co 3O 4 NiO Nie jest klasyfikowany jako substancja niebezpieczna Może powodować reakcję alergiczną skóry Wdychanie może spowodować raka Podejrzewa się, że powoduje raka. Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą Przy wdychaniu: świeże powietrze, skonsultować się z lekarzem jeżeli poszkodowany Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą Przy kontakcie ze skóra przemyć wodą z mydłem Przy wdychaniu: świeże powietrze, skonsultować się z lekarzem jeżeli poszkodowany. Postępowanie z odpadami umieścić w pojemniku na odpady stałe umieścić w pojemniku na odpady stałe CuO Fe(NO 3) 3 9H 2O Co(NO 3) 2 6H 2O Działa szkodliwie po połknięciu Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne, powodując długotrwałe skutki dla środowiska Może intensyfikować pożar Działa drażniąco na skórę. Działa drażniąco na oczy. Może powodować podrażnienie dróg oddechowych. Może intensyfikować pożar Działa szkodliwie po połknięciu. Może powodować reakcję alergiczną skóry. Może powodować objawy alergii lub astmy lub trudności w oddychaniu w następstwie wdychania. Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą umieścić w pojemniku na odpady stałe Przy wdychaniu: świeże powietrze, skonsultować się z lekarzem jeżeli poszkodowany Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą 4

6 Cu(NO 3) 2 3H 2O Ni(NO 3) 2 6H 2O Cu(HCOO) 2 Podejrzewa się, że wdychanie może spowodować raka. Może działać szkodliwie na płodność lub na dziecko w łonie matki. Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne, powodując długotrwałe skutki Może intensyfikować pożar; utleniacz. Działa szkodliwie po połknięciu. Działa drażniąco na skórę. Powoduje poważne uszkodzenie oczu. Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne Może intensyfikować pożar; utleniacz Działa szkodliwie po połknięciu. Działa drażniąco na skórę. Może powodować reakcję alergiczną skóry. Powoduje poważne uszkodzenie oczu. Działa szkodliwie w następstwie wdychania. Może powodować objawy alergii lub astmy lub trudności w oddychaniu w następstwie wdychania Podejrzewa się, że ma działanie mutagenne Wdychanie może spowodować raka. Może działać szkodliwie na dziecko w łonie matki. Powoduje uszkodzenie narządów poprzez długotrwałe lub wielokrotne narażenie. Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne powodując długotrwałe skutki Działa drażniąco na skórę, oczy i drogi oddechowe Przy kontakcie ze skóra przemyć wodą i niezwłocznie zawieźć do szpitala 5

7 Cu(CH 3COO) 2 H 2O Działa szkodliwie po połknięciu. Działa drażniąco na skórę, oczy i drogi oddechowe Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne 6

8 V. OPRACOWANIE WYNIKÓW Wypełnić kartę pomiarową wydawaną przez prowadzącego w trakcie wykonywania ćwiczenia. VI. ZAGADNIENIA TEORETYCZNE Metody otrzymywania katalizatorów Skład i postać katalizatorów heterogenicznych Nośniki katalizatorów Zastosowanie katalizatorów heterogenicznych w przemyśle VII. LITERATURA 1. B. Grzybowska-Świerkosz Elementy katalizy heterogenicznej, PWN, Warszawa M. Ziółek, I. Nowak, Kataliza heterogeniczna wybrane zagadnienia, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań D. Jackson, J. Hargreaves (Eds.), Metal oxide catalysis,wiley-vch. Weinheim

9 8