BADANIE WŁAŚCIWOŚCI POWIERZCHNII

Transkrypt

1 1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW BADANIE WŁAŚCIWOŚCI POWIERZCHNII KATALIZATORÓW TLENKOWYCH ZA POMOCĄ REAKCJI TESTOWEJ (KONWERSJI ALKOHOLU IZOPROPYLOWEGO) Prowadzący: Mejsce ćwczena: Agneszka Krowak Zakład Chem Fzycznej p. I, sala nr 109 LABORATORIUM Z KATALIZATORÓW, KATALIZY HOMOGENICZNEJ I HETEROGENICZNEJ

2 2 I. CEL ĆWICZENIA Celem ćwczena jest zapoznane sę z jedną z najczęścej stosowanych reakcj testowych do badana właścwośc powerzchn katalzatorów, którą jest konwersja alkoholu zopropylowego. Na podstawe wyznaczonych: szybkośc reakcj równoległych, selektywnośc energ aktywacj przebegających reakcj równoległych można scharakteryzować właścwośc kataltyczne badanego katalzatora. II. WSTĘP TEORETYCZNY Reakcja konwersj alkoholu zopropylowego jest jedną z najczęścej stosowanych reakcj testowych do określana właścwośc powerzchn katalzatorów. Jej popularność wynka z tego, ż za pomocą prostej reakcj można zbadać zarówno właścwośc kwasowo-zasadowe jak równeż oksydacyjno-redukcyjne katalzatora. Podczas konwersj alkoholu zopropylowego mogą przebegać główne trzy reakcje równoległe. Perwszą z tych reakcj jest dehydratacja do propenu, która charakteryzuje właścwośc kwasowe lub kwasowo-zasadowe katalzatora. Drugą reakcją natomast jest odwodornene do acetonu charakteryzujące właścwośc zasadowe lub oksydacyjno-redukcyjne [1,2,3] katalzatora. Trzecą, rzadzej przebegającą, jest mędzycząsteczkowa dehydratacja dwóch cząsteczek alkoholu zopropylowego do eteru dzopropylowego. Reakcja ta może charakteryzować właścwośc kwasowe powerzchn katalzatora [2]. Selektywność tych reakcj jest stosowana jako mara właścwośc kwasowozasadowych oksydacyjno-redukcyjnych powerzchn katalzatora. Ponadto oprócz trzech podstawowych reakcj możlwy jest przebeg nnych reakcj następczych równoleglo-następczych, w których mogą równeż powstawać produkty podstawowe czyl propen aceton. Np. propen może powstawać ne tylko bezpośredno z alkoholu zopopylowego ale równeż w reakcj następczej z eteru dzopropylowego. Jednak przebeg tych reakcj jest obserwowany w wyższych temperaturach, a rodzaj powstających produktów ne zależy od rodzaju tlenku metalu rośne ze wzrostem właścwośc zasadowych oksydacyjno-redukcyjnych [1]. Powerzchna tlenku, po aktywacj, zawera następujące centra aktywne [1]: koordynacyjne nenasycone katony pełnące funkcje centrów kwasowych Lewsa lub centrów oksydacyjno-redukcyjnych, koordynacyjne nenasycone anony pełnące funkcje centrów zasadowych Lewsa, grupy wodorotlenowe pełnące funkcje kwasowych lub zasadowych centrów Brønsteda. Do określena, który rodzaj centrów aktywnych zawera katalzatora, zazwyczaj koneczne są badana knetyczne mechanzmu reakcj [3].

3 3 III. WYKONANIE ĆWICZENIA 1. Aparatura Rys. 1. Schemat aparatury do pomarów knetycznych. 1 pochłanacz pary wodnej, 2 rotametr, 3 saturator z alkoholem zopropylowym, 4 reaktor ze złożem katalzatora termoparą do pomaru temperatury w złożu katalzatora, 5 pec, 6 chromatograf gazowy, 7 - komputer. 2. Odczynnk Alkohol zopropylowy, azot, katalzator (MoO 3, -Al 2 O 3, Co 3 O 4, NCo 2 O 4, Fe 2 O 3, ZrO 2, tp.) 3. Sposób wykonana pomaru Standaryzacja katalzatora Na początku próbkę katalzatora należy wygrzać w przepływe azotu przez jedną godznę w temperaturze 130 ºC. Postępowane 1) odkręcć dopływ azotu do reaktora ustawając na manometrze butl z azotem cśnene 0,5 at, a na rotametrze nr 1 ok. 10 dm 3 /h. 2) włączyć pec 3) ustawć regulator temperatury peca na 100 4) uruchomć oba termostaty.

4 4 Uruchomene chromatografu Uruchomene chromatografu należy rozpocząć na 30 mn. przed rozpoczęcem pomaru. Postępowane 1) ścągnąć komnk z nad palnków chromatografu 2) odkręcć wodór powetrze ustawając ćśnene na manometrze butl z wodorem na 1,5 at., a na butl z powetrzem na 4 at. 3) Po 2-3 mn zapalć palnk, nałożyć komnk oakręcć dopływ azotu ustawając na manometrze butl ćśnene 4 at. 4) Uruchomć termostat chromatografu nacskając czarny przycsk na jego obudowe 5) Po ok. 10 mn. włączyć elektrometr komputer Pomar Pomar stężeń produktów wykonuje sę co ok. 10 mnut za każdym razem podnosząc temperaturę w reaktorze o ok. 10 º. Postępowane 1) Podłączyć saturator z alkoholem zopropylowym do aparatury pomarowej 2) Podneś cśnene na manometrze butl z azotem (podłączonej do aparatury) do ok. 1 at. 3) Ustawć przepływy azotu na rotametrze nr 1 na 10,75 dm 3 /h a na rotametrze nr 2 na 8,9 dm 3 /h. 4) Po ok. 10 mn. wykonać perwszy pomar Wykonane pomaru 5) Uruchomć program do rejestracj danych z chromatografu 6) Uruchomć rejestracje danych podając nazwe plku do którego mają zostać zapsane dane pomarowe nacsnąć zapsz 7) Otworzyć zawór dozujący chromatografu na 10 s. 8) Po zarejestrowanu wynków pomaru zatrzymać dzałane programu rejestującego 9) Należy wykonać 5-6 pomarów powtarzając punkty od 6 do 8 10) Po wykonanu pomarów aparaturę należy wyłączyć w kolejnośc odwrotnej do tej przy uruchamanu. WSZYSTKIIE CZYNNOŚCII PRZY APARATURZE NALEŻY WYKONYWAĆ ZA ZGODĄ II POD NADZOREM PROWADZĄCEGO!!!!!! 4. Opracowane wynków Wyznaczene powerzchn pku wykonuje sę za pomocą programu Orgn na podstawe nstrukcj stanowskowej

5 5 Przelczene powerzchn pku na ułamek molowy produktu należy wykonać na podstawe przelcznków otrzymanych od prowadzącego. Oblczane szybkośc reakcj v V x m S r (1) k k r szybkość reakcj tworzena produktu, (mol/(s m 2 )) v natężene przepływu, (dm 3 /s) x ułamek molowy produktu m k masa katalzatora, (g) S k powerzchna katalzatora, (m 2 /g) V objętość molowa gazu przelczona na warunk pomaru natężena przepływu, (dm 3 /mol) Wynk oblczeń nanoszone są na wykres: log r = f(1000/t) Oblczane selektywnośc reakcj r S 100 (2) r S selektywność tworzena produktu, (%) r szybkość reakcj tworzena produktu, (mol/(s m 2 )) Oblczane energ aktywacj Energę aktywacj wyznacza sę na podstawe zależnośc S.A. Arrhenusa (wykres log r = f(1000/t)): Ea 1000 log r C (3) R ln10 T r szybkość reakcj tworzena produktu, (mol/(s m 2 )) E a energa aktywacj reakcj tworzena produktu, (kj/mol) R stała gazowa (8, J/(mol K)) T temperatura, (K) C stała całkowana gdze współczynnk kerunkowy prostej: Ea a R ln10 stąd (4) E a a R ln10 (5)

6 IV. ZASADY BEZPIECZENSTWA I UTYLIZACJI ODPADÓW UWAGA: W raze nepożądanego kontaktu z substancją nebezpeczną natychmast powadomć prowadzącego zajęca Odczynnk Alkohol zopropylowy Katalzatory (tlenk) Klasyfkacja Substancja łatwo palna. Substancja drażnąca. Ne jest przedmotem klasyfkacj jako substancja chemczna nebezpeczna. Zagrożena Substancja wysoce łatwo palna. Dzała drażnąco na oczy. Może powodować senność lub zawroty głowy w przypadku narażena dróg oddechowych. ne jest produktem nebezpecznym w myśl wytycznej 67/548/EEC Środk bezpeczeństwa Przy narażenu dróg oddechowych: śweże powetrze Przy kontakce ze skórą: zmyć dużą loścą wody, Przy kontakce z oczam: przepłukać dużą loścą wody udać sę do okulsty Przy spożycu: podać wodę, unkać wymotów, wezwać lekarza/pogotowe,węgel aktywny (20-40 g w zawesne 10 %). Przy kontakce ze skórą: zmyć wodą, Przy kontakce z oczam: przepłukać wodą Przy spożycu: podać dużą lość wody, spowodować wymoty, wezwać lekarza jeżel poszkodowany poczuje sę nezdrowo. Postępowane z odpadam umeścć w pojemnku na odpady organczne oznaczonym lterą O umeścć w pojemnku na odpady stałe 6

7 7 V. ZAGADNIENIA TEORETYCZNE DO ĆWICZENIA 1. Katalza heterogenczna, katalzator, selektywne dzałane katalzatora. 2. Etapy heterogencznego procesu kataltycznego. Obszar przebegu procesu kataltycznego. 3. Knetyka reakcj równoległych. 4. Energ aktywacj jej oblczane. 5. Metody badana właścwośc powerzchn katalzatorów heterogencznych 6. Reakcja konwersj alkoholu zopropylowego. VI. LITERATURA 1. D. Haffad, A. Chambellan, J. C. Lavalley, J. Mol. Catal. A: Chemcal, 168 (2001) J. M. Campelo, A. Garca, J. F. Herenca, D. Luna, J. M. Marnas, A. A. Romero, J. Catal., 151 (1995) A. Ouqour, G. Coudurer, J. C. Vedrne, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 89 (1993) W. Turek, Z. Uzel, Zbór zadań oblczenowych z chem fzycznej, Część II, Knetyka chemczna adsorpcja, Skrypt Poltechnk Śląskej nr B. Grzybowska-Śwerkosz. Elementy katalzy heterogencznej. Wydawnctwo Naukowe PWN, Warszawa 1993 Data ostatnej modyfkacj: