Tööstuse kiire kasvu tõttu on katalüütiliste reaktsioonide järele keemiatootmises, masinaehituses ja metallurgias üha enam nõudlust. Tänu katalüsaatorite kasutamisele on võimalik madala kvaliteediga toorainet muuta väärtuslikuks tooteks.
Olulisus
Katalüütilised reaktsioonid eristuvad kasutatavate ainete mitmekesisuse poolest. Orgaanilises sünteesis aitavad need kaasa dehüdrogeenimise, hüdrogeenimise, hüdratsiooni, oksüdatsiooni ja polümerisatsiooni olulisele kiirendamisele. Katalüsaatorit võib pidada "filosoofi kiviks", mis muudab tooraine valmistoodeteks: kiud, ravimid, kemikaalid, väetised, kütused, plastid.
Katalüütilised reaktsioonid võimaldavad saada arvuk alt tooteid, ilma milleta normaalne elu ja inimtegevus on võimatu.
Katalüüs võimaldab teil protsesse kiirendadatuhandeid ja miljoneid kordi, mistõttu kasutatakse seda praegu 91% erinevatest keemiatööstustest.
Huvitavaid fakte
Paljusid kaasaegseid tööstusprotsesse, nagu väävelhappe süntees, saab läbi viia ainult katalüsaatori abil. Lai valik katalüütilisi aineid tagab mootoriõlide loomise autotööstusele. 1900. aastal viidi esimest korda tööstuslikus mastaabis läbi margariini katalüütiline süntees taimsetest toorainetest (hüdrogeenimise teel).
Alates 1920. aastast on kiudude ja plastide tootmisel välja töötatud katalüütiliste reaktsioonide mehhanism. Tähtsündmuseks oli estrite, olefiinide, karboksüülhapete ja muude polümeerühendite tootmise lähteainete katalüütiline tootmine.
Nafta rafineerimine
Alates eelmise sajandi keskpaigast on nafta rafineerimisel kasutatud katalüütilisi reaktsioone. Selle väärtusliku loodusressursi töötlemine hõlmab korraga mitut katalüütilist protsessi:
- reformeerimine;
- pragunemine;
- hüdrosulfoonimine;
- polümerisatsioon;
- hüdrokrakkimine;
- alküülimine.
Alates eelmise sajandi lõpust on olnud võimalik välja töötada katalüüsmuundur, et vähendada atmosfääri eralduvaid heitgaase.
Katalüüsi ja sellega seotud valdkondade töö eest on antud mitu Nobeli preemiat.
Praktiline asjakohasus
Katalüütiline reaktsioon on mis tahes protsess, mis hõlmab kiirendite (katalüsaatorite) kasutamist. Selliste interaktsioonide praktilise tähtsuse hindamiseks võib näitena tuua lämmastiku ja selle ühenditega seotud reaktsioonid. Kuna see kogus on oma olemuselt väga piiratud, on toiduvalgu loomine ilma sünteetilist ammoniaaki kasutamata väga problemaatiline. Probleem lahendati Haber-Boschi katalüütilise protsessi väljatöötamisega. Katalüsaatorite kasutamine laieneb pidev alt, mis võimaldab tõsta paljude tehnoloogiate efektiivsust.
Ammoniaagi tootmine
Vaatleme mõningaid katalüütilisi reaktsioone. Anorgaanilisest keemiast on toodud näiteid levinumate tööstusharude põhjal. Ammoniaagi süntees on eksotermiline, pöörduv reaktsioon, mida iseloomustab gaasilise aine mahu vähenemine. Protsess toimub katalüsaatoril, milleks on poorne raud, millele on lisatud alumiiniumoksiidi, k altsiumi, kaaliumi, räni. Selline katalüsaator on aktiivne ja stabiilne temperatuurivahemikus 650–830 K.
Saada sinna pöördumatult väävliühendeid, eelkõige süsinikmonooksiidi (CO). Viimastel aastakümnetel on tänu uuenduslike tehnoloogiate kasutuselevõtule surve oluliselt vähenenud. Näiteks valmistati muundur, mis võimaldab langetada rõhuindikaatorit 8106 - 15106 Pa-ni.
Eesmise vooluringi moderniseerimine on oluliselt vähendanud tõenäosust leida sellest katalüütilisi mürke – väävliühendeid,kloor. Oluliselt on suurenenud ka nõuded katalüsaatorile. Kui varem toodeti seda raudoksiidide (katlakivi) sulatamisel, magneesium- ja k altsiumoksiidide lisamisel, siis nüüd mängib koob altikoksiid uue aktivaatori rolli.
Ammoniaagi oksüdatsioon
Millised on katalüütiliste ja mittekatalüütiliste reaktsioonide omadused? Ammoniaagi oksüdatsiooni põhjal võib vaadelda näiteid protsessidest, mis sõltuvad teatud ainete lisamisest:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
See protsess on võimalik temperatuuril umbes 800 °C, samuti selektiivne katalüsaator. Koostoime kiirendamiseks kasutatakse plaatinat ja selle sulameid mangaani, raua, kroomi ja koob altiga. Praegu on peamine tööstuslik katalüsaator plaatina segu roodiumi ja pallaadiumiga. See lähenemine võimaldas oluliselt vähendada protsessi maksumust.
Vee lagunemine
Arvestades katalüütiliste reaktsioonide võrrandeid, ei saa ignoreerida gaasilise hapniku ja vesiniku saamise reaktsiooni vee elektrolüüsi teel. Protsess hõlmab suuri energiakulusid, mistõttu kasutatakse seda tööstuslikus mastaabis harva.
Metalplaatina osakeste suurusega umbes 5-10 nm (nanoklastrid) toimib sellise protsessi jaoks optimaalse kiirendajana. Sellise aine sissetoomine kiirendab vee lagunemist 20-30 protsenti. Muud eelised hõlmavad plaatina süsinikmonooksiidi katalüsaatori stabiilsust.
2010. aastalAmeerika teadlaste meeskond sai odava katalüsaatori, mis vähendab vee elektrolüüsi energiatarbimist. Nendest sai nikli ja boori ühend, mille maksumus on oluliselt madalam kui plaatina. Boor-nikli katalüsaatorit on hinnatud tööstusliku vesiniku tootmisel.
Alumiiniumjodiidi süntees
Hankige see sool, pannes alumiiniumipulbri reageerima joodiga. Ühest tilgast veest piisab keemilise reaktsiooni käivitamiseks katalüsaatorina.
Esiteks toimib alumiiniumoksiidkile protsessi kiirendajana. Vees lahustuv jood moodustab vesinikjodiid- ja joodhapete segu. Hape omakorda lahustab alumiiniumoksiidi kile, toimides keemilise protsessi katalüsaatorina.
Tee kokkuvõte
Iga aastaga suureneb katalüütiliste protsesside rakendamine kaasaegse tööstuse erinevates valdkondades. Nõutud on katalüsaatorid, mis võimaldavad neutraliseerida keskkonnale ohtlikke aineid. Samuti kasvab söest ja gaasist sünteetiliste süsivesinike tootmiseks vajalike ühendite roll. Uued tehnoloogiad aitavad vähendada energiakulusid erinevate ainete tööstuslikul tootmisel.
Tänu katalüüsile on võimalik saada polümeerseid ühendeid, väärtuslike omadustega tooteid, kaasajastada tehnoloogiaid kütuse elektrienergiaks muundamiseks, sünteesida vajalikke aineidinimelu ja tegevus.
