工业催化剂制备原理之浸渍法

工业催化剂制备原理之浸渍法概述以浸渍为关键和特殊步骤制造催化剂的方法称浸渍法，也是目前催化剂工业生产中广泛应用的一种方法。浸渍法是基于活性组分(含助催化剂)以盐溶液形态浸渍到多孔载体上并渗透到内表面，而形成高效催化剂的原理。通常将含有活性物质的液体去浸各类载体，当浸渍平衡后，去掉剩余液体，再进行与沉淀法相同的干燥、焙烧、活化等工序后处理。经干燥，将水分蒸发逸出，可使活性组分的盐类遗留在载体的内表面上，这些金属和金属氧化物的盐类均匀分布在载体的细孔中，经加热分解及活化后，即得高度分散的载体催化剂。活性溶液必须浸在载体上，常用的多孔性载体有氧化铝、氧化硅、活性炭、硅酸铝、硅藻土、浮石、石棉、陶土、氧化镁、活性白土等，可以用粉状的，也可以用成型后的颗粒状的。氧化铝和氧化硅这些氧化物载体，就像表面具有吸附性能的大多数活性炭一样，很容易被水溶液浸湿。另外，毛细管作用力可确保液体被吸人到整个多孔结构中，甚至一端封闭的毛细管也将被填满，而气体在液体中的溶解则有助于过程的进行，但也有些载体难于浸湿，例如高度石墨化或没有化学吸附氧的碳就是这样，可用有机溶剂或将载体在抽空下浸渍。浸渍法有以下优点：第一，附载组分多数情况下仅仅分布在载体表面上，利用率高、用量少、成本低，这对铂、铑、钯、铱等贵金属型负载催化剂特别有意义，可节省大量贵金属；第二，可以用市售的、已成形的、规格化的载体材料，省去催化剂成型步骤。第三，可通过选择适当的载体，为催化剂提供所需物理结构特性，如比表面、孔半径、机械强度、热导率等。可见浸渍法是一种简单易行而且经济的方法。广泛用于制备负载型催化剂，尤其是低含量的贵金属附载型催化剂。其缺点是其焙烧热分解工序常产生废气污染。浸渍法工艺浸渍法可分为粉状载体浸渍法和粒状载体浸渍法两种工艺，其特点可由流程图看出。粒状载体浸渍法工艺如图6—2所示。粒状载体浸渍前通常先做成一定形状，抽空载体后用溶液接触载体，并加入适量的竞争吸附剂。也可将活性组分溶液喷射到转动的容器中翻滚到载体上，然后可用过滤、倾析及离心等方法除去过剩溶液。粉状载体浸渍法与粒状载体浸渍法类似，但需增加压片、挤条或成球等成形步骤，其流程见图6—3。浸渍的方法对催化剂的性能影响较大，粒状载体浸渍时，催化剂表面结构取决于载体颗粒的表面结构，如比表面、孔隙率、孔径大小等，催化反应速率不同，对催化剂表面结构的要求也不同。沉积在催化剂载体的金属的最终分散度取决于许多因素的相互作用，这些因素包括浸渍方法、吸附的强度，以吸留溶质形式存在的金属化合物相比于吸附在孔壁上的物种的程度，以及加热与干燥时发生的化学变化等。虽然浸渍过程中，大多数金属试剂都可以不同程度地吸附在载体上，但是吸附过程相当复杂，不同类型的吸附都可能发生，可以是金属离子与含有羟基的表面吸附；也可以是含有碱金属及碱土金属离子的表面进行阳离子交换。载体的表面结构还可能因浸渍步骤不同加以改变，从而更改表面的吸附特性。这些在工艺实施过程中必须加以考虑。若载体遭受浸蚀，情况会更复杂，在高pH值下硅胶要受浸蚀，而高表面积的氧化铝则无论在过高或过低pH值下都要受浸蚀，在用酸性液体浸渍氧化铝载体的过程中，部分氧化铝会首先发生溶解，并随着pH值的增高接着要发生沉淀，最好用缓冲剂来控制这个效应。载体原料载体原料粉状载体浸渍溶液↓↓↓↓水→混合水→浸渍←沉淀剂↓↓干燥过滤洗涤↓↓成型干燥↓↓浸渍焙烧分解↓↓干燥混合↓↓焙烧分解成型↓↓过筛包装过筛包装↓↓成品成品图6-2粒状载体浸渍法工艺流程图图6—3粉状载体浸渍法工艺流程图例如，铂试剂氯铂酸H2PtCl是常吸附在氧化铝或活性炭上，但在硅胶上则不能吸附，采用初湿法(吸干浸渍)，可以使氧化铝颗粒的外部沉积上很薄的铂壳层，用于防止快速反应的扩散是很有好处的。如要取得更均匀的分散可以用竞争吸附的方法，即往溶液中加入硝酸或盐酸来降低氯铂离子的吸附性，由此造成更为均匀的沉积。另一方面，铂可以Pt(NH3)4C13形式与氧化铝作用，在此情况下，铂是处于阴离子形式。它不太容易吸附在氧化铝上，但可较强地吸附在硅胶上。如想制备不含卤素的催化剂，则可选用如二氨基二硝基铂Pt(NH3)2(N02)2这样的化合物，通过往浸渍液中加入有机酸，例如柠檬酸的方法，也能在催化剂颗粒的稍靠里边的地方埋置一层催化剂的物质，可抑制有毒物沉积在催化剂载体外壳表面，增加催化剂的寿命。用于汽车发动机排气污染物氧化的负载型铂催化剂就是一例。一般来说，若试剂有充分时间扩散，及副反应不为主的话，使用过量溶液的浸渍法可使吸附物基本上均匀沉淀。倘若最初的吸附不均匀，并且不强的话，即使载体小球离开溶液，扩散还要继续，会使分布更均匀。浸渍法分类(1)过量浸渍法本法系将载体泡人过量的浸渍溶液中，即浸渍溶液体积超过载体可吸收体积，待吸附平衡后，滤去过剩溶液，干燥、活化后便得催化剂成品。通常借调节浸渍溶液的浓度和体积控制附载量。附载量的计算有两种方法。一是从载体出发，令载体对某一活性物质的比吸附量为W(每克载体的吸附量)，由于孔径大小不一，活性物质只能进人大于某一孔径的孔隙中，以y代表这部分孔隙的体积，设m为活性物质在溶液中的浓度，则吸附平衡后载体对该活性物质的附载量Wi为：Wi=Vm＋W如果吸附量很小，则Wi=Vm二是从浸渍溶液考虑，附载量等于浸渍前溶液的体积与浓度之乘积，减去浸渍后溶液的体积与浓度之乘积。然而，这两种计算方法不甚准确，仅供参考。(2)等体积浸渍法将载体浸入到过量溶液中，整釜溶液的成分将随着载体的浸渍而被改变，释放到溶液中的碎物可形成淤泥，使浸渍难于完全使用操作溶液。因而工业上使用等体积浸渍法(吸干浸渍法)，即将载体浸到初湿程度，计算好溶液的体积，做到更准确地控制浸渍工艺。工业上，可以用喷雾使载体与适当浓度的溶液接触，溶液的量相当于已知的总孔体积，这样做可以准确控制即将掺入催化剂中的活性组织的量。各个颗粒都可达到良好的重复性，但在一次浸渍中所能达到最大负载量，要受溶剂溶解度的限制。在任何情况下，制成的催化剂通常都要经过干燥与焙烧。在少数情况下，为使得有效组分更均匀地分散，可将浸渍过的催化剂浸入到一种试剂中，以使发生沉淀，从而可使活性组分固定在催化剂内部。本法将载体与它可吸收体积的浸渍溶液相混合，由于浸渍溶液的体积与载体的微孔体积相当，只要充分混合，浸渍溶液恰好浸透载体颗粒而无过剩，可省略废液的过滤与回收。但是必须注意，浸渍溶液体积是浸渍化合物性质和浸渍溶液黏度的函数。确定浸渍溶液体积，应预先进行试验测定。等体积浸渍可以连续或间断进行，设备投资少，生产能力大，能精确调节附载量，所以工业上广泛采用。(3)多次浸渍法本法即浸渍、干燥、焙烧反复进行数次。采用这种方法的原因有两点。第一，浸渍化合物的溶解度小，一次浸渍不能得到足够大的附载量，需要重复浸渍多次；第二，为避免多组分浸渍化合物各组分间的竞争吸附，应将各别组分按秩序先后浸渍。每次浸渍后，必须进行干燥和焙烧，使之转化为不溶性的物质，这样可以防止上次浸载在载体的化合物在下一次浸渍时又溶解到溶液中，也可以提高下一次浸渍时载体的吸收量。例如，加氢脱硫CO2O3-MoO3／A12()3催化剂的制备，可将氧化铝先用钴盐溶液浸渍，干燥、焙烧后再用钼盐溶液按上述步骤处理。必须注意每次浸渍时附载量的提高情况。随着浸渍次数的增加，每次附载增量将减少。多次浸渍法工艺过程复杂，劳动效率低，生产成本高，除非上述特殊情况，应尽量少采用。(4)浸渍沉淀法本法是在浸渍法的基础上辅以均匀沉淀法发展起来的一种新方法，即在浸渍液中预先配人沉淀剂母体，待浸渍单元操作完成之后，加热升温使待沉淀组分沉积在载体表面上。此法可以用来制备比浸渍法分布更加均匀的金属或金属氧化物负载型催化剂。（5）硫化床喷洒浸渍法浸渍溶液直接喷洒到流化床中处于流化状态的载体中，完成浸渍以后，升温干燥和焙烧。在流化床内可一次完成浸渍、干燥、分解和活化过程。流化床内放置一定量的多孔载体颗粒，通人气体使载体硫化，再通过喷嘴将浸渍液向下或用烟道气对浸渍后的载体进行硫化干燥，然后升高床温使负载的盐类分解，逸出不起催化作用的挥发组分，最后用高温烟道气活化催化剂，活化后鼓人冷空气进行冷却，然后卸出催化剂。鼓风机送来的空气分两路，一路经加热器进人流化床，使载体颗粒硫化，废气在床顶接管3放空；另一路进入喷嘴的套管内，用以雾化浸渍液。载体由床顶加料口加人，催化剂由分布板上卸料口6卸出。该法适用于多孔载体的浸渍，制得的催化剂与浸渍法没有区别，但具有流程简单、操作方便、周期短、劳动条件好等优点。不足的是成品率低(在80％～90％以下)、催化剂易结块、性质不均匀等。(6)蒸气相浸渍法除了溶液浸渍之外，亦可借助浸渍化合物的挥发性，以蒸气相的形式将它附载到载体上。这种方法首先应用正丁烷异构化过程中的催化剂，催化剂为A1C13／铁钒土。在反应器内先装入铁钒土载体，然后以热的正丁烷气流将活性组分A1C13气温升，而有足够的AICl3沉淀在载体铁矾土上后气化，并使A1C13微粒与丁烷一起通过铁矾土载体的反应器，当附载量足够时，便转入异构化反应。用此法制备的催化剂，在使用过程中活性组分也容易流失。为了维持催化性稳定，必须连续补加浸渍组分。适用于蒸气相浸渍法的活性组分沸点通常比较低。