Με βάση τα διαφορετικά ενεργά συστατικά, οι ετερογενείς καταλύτες μπορούν να χωριστούν σε μέταλλο και τα άλατά του, οξείδια μετάλλων και σύνθετους καταλύτες οξειδίων μετάλλων. Με βάση το σχήμα τους, μπορούν να χωριστούν σε σχήματα σφαιρικά, κοντή στήλη και κυψελοειδή. με βάση τη διαδικασία προετοιμασίας τους, μπορούν να χωριστούν σε αυτά που χρησιμοποιούν στήριγμα και σε αυτά που δεν χρησιμοποιούν στήριγμα.
Οι ετερογενείς καταλύτες-στερεάς κατάστασης εμποδίζουν σε μεγάλο βαθμό την απώλεια καταλύτη, διαχωρίζονται ευκολότερα από τα λύματα και έχουν πλεονεκτήματα όπως καλή δραστηριότητα, καλή σταθερότητα και σύντομη διαδικασία επεξεργασίας.
Ωστόσο, υπάρχει μεταφορά μάζας μεταξύ ετερογενών φάσεων καταλύτη και τα αιωρούμενα στερεά στα λύματα και τα ενδιάμεσα της αντίδρασης μπορεί να προκαλέσουν επικάλυψη ή απόφραξη των σωματιδίων του καταλύτη, οδηγώντας σε απενεργοποίηση.
I. Τύποι Καταλυτών
(1) Μεταλλικοί/Υποστηριζόμενοι Καταλύτες
Στην ετερογενή τεχνολογία καταλυτικής οξείδωσης, οι καταλύτες ευγενών μετάλλων χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω της υψηλής δραστηριότητάς τους, της μεγάλης διάρκειας ζωής και της ισχυρής προσαρμοστικότητας τους. Οι καταλύτες που κατασκευάζονται με ευγενή μέταλλα όπως P, Pd και Ru ως ενεργά συστατικά δεν έχουν μόνο συμβατές θέσεις προσρόφησης υδρογονανθράκων αλλά και μεγάλο αριθμό θέσεων προσρόφησης οξυγόνου, οι οποίες μπορούν να υποστούν γρήγορα ενεργοποίηση οξυγόνου και προσρόφηση υδρογονανθράκων καθώς προχωρά η επιφανειακή αντίδραση. Για να επιτευχθεί καλύτερη διασπορά και να μειωθεί η ποσότητα του μετάλλου που χρησιμοποιείται, ο εμποτισμός χρησιμοποιείται συχνά για τη στήριξη μετάλλων σε φορείς με υψηλές ειδικές επιφάνειες, όπως Al3O2, SiO2, ενεργός άνθρακας, TiO2, CeO2 και ZrO2.
(2) Οξείδιο μετάλλου/Υποστηριζόμενοι Καταλύτες
Η επιλογή των καταλυτών στις διεργασίες καταλυτικής οξείδωσης απαιτεί την εξέταση πολλών παραγόντων, όπως οι ιδιότητες του διαλύματος, η καταλυτική ικανότητα του καταλύτη και η θερμική του σταθερότητα στο νερό. Μεταξύ αυτών, τα οξείδια μετάλλων εκτιμώνται ιδιαίτερα λόγω της υψηλής σταθερότητάς τους και της καλής τους δράσης.
Με βάση τη σταθερότητά τους, οι καταλύτες μπορούν να ταξινομηθούν ως εξής: 1. Οξείδια που είναι πιο σταθερά σε συνθήκες υψηλής οξείδωσης, όπως οξείδιο του τιτανίου, οξείδιο βαναδίου, οξείδιο χρωμίου, οξείδιο μαγνησίου, οξείδιο ψευδαργύρου και οξείδιο του αργιλίου. 2. Οξείδια με μέτρια σταθερότητα, όπως οξείδιο σιδήρου, οξείδιο κοβαλτίου, οξείδιο νικελίου και οξείδιο μολύβδου. 3. Οξείδια και ευγενή μέταλλα, όπως η πλατίνα, το παλλάδιο, το ρουθήνιο και ο χρυσός.
(3) Σύνθετο Οξείδιο/Υποστηριζόμενοι Καταλύτες
Με βάση τη συμπληρωματική αρχή της ρύθμισης της καταλυτικής δραστηριότητας, οι καταλύτες σύνθετων οξειδίων αναμένεται να επιτύχουν υψηλότερη καταλυτική δράση. Τα συνεργιστικά αποτελέσματα μπορούν να ενισχύσουν τη δραστηριότητα του καταλύτη και να αναστείλουν τη διάλυση των ενεργών συστατικών. Για παράδειγμα, ο συνδυασμός CoO, CuO ή NiO με οξείδια Fe(III), Pt ή Ru είναι ένας αποτελεσματικός καταλύτης οξείδωσης.
II Βάση Επιλογής Καταλύτη
(1) Επιλογή καταλύτη
Κατά την επιλογή ενός καταλύτη, γενικά πρέπει να χρησιμοποιούνται καταλύτες με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά:
1. Γρήγορος ρυθμός οξείδωσης και καλύτερη επαφή φάσης, επιταχύνοντας έτσι την αντίδραση.
2. Μη-επιλεκτική, που επιτρέπει την πλήρη οξείδωση.
3. Σταθερές φυσικοχημικές ιδιότητες σε θερμά όξινα διαλύματα.
4. Υψηλή δραστηριότητα και μεγάλη διάρκεια ζωής σε υψηλές θερμοκρασίες και μη ευαίσθητο στα δηλητήρια.
5. Υψηλή μηχανική αντοχή και αντοχή στη φθορά.
(2) Επιλογή υποστήριξης καταλύτη
Με βάση τη σύνθεση των σωματιδίων υποστήριξης του καταλύτη, μπορεί να χωριστεί χονδρικά σε τρεις τύπους: σωματιδιακά στηρίγματα, υποστηρίγματα με χονδρόκοκκο-κοκκία και υποστρώματα.
Κατά τη χρήση καταλυτών, συνήθως λαμβάνονται υπόψη τα ακόλουθα σημεία:
1. Χημική σύνθεση και διασπορά.
2. Επιφανειακές φυσικοχημικές ιδιότητες-πορώδες, προσρόφηση, ηλεκτροχημικές και μηχανικές ιδιότητες.
3. Πάχος και ποσότητα ενεργού υλικού που μπορεί να φορτωθεί.
4. Ειδική δύναμη και σταθερότητα.
5. Χημική σταθερότητα.
6. Αντοχή στην τριβή, σκληρότητα και αντοχή σε θλίψη.
7. Συμμετοχή σε καταλυτικές αντιδράσεις.
Εκτός από την υψηλή δραστηριότητα και την καλή εκλεκτικότητα, οι καταλύτες πρέπει επίσης να διαθέτουν καλή μηχανική αντοχή και σταθερότητα, με τη σταθερότητα να επηρεάζει την ικανότητά τους να υποβαθμίζουν τη δραστηριότητα.
Μετά από μια περίοδο χρήσης, οι καταλύτες θα εμφανίσουν απενεργοποίηση, κυρίως λόγω απώλειας υλικού καταλύτη και οπτάνθρακα.
Η απώλεια καταλύτη είναι μια κύρια αιτία απενεργοποίησης. Αυτή η απώλεια επηρεάζεται κυρίως από το pH, προκαλώντας τη διάλυση των ενεργών συστατικών. Πειραματικές μελέτες έχουν δείξει ότι το pH των λυμάτων έχει σημαντικό αντίκτυπο στην οξείδωση της οργανικής ύλης στην υγρή φάση.
Για παράδειγμα, οι ετερογενείς καταλύτες όζοντος εμφανίζουν χαμηλούς ρυθμούς αντίδρασης και υψηλούς ρυθμούς απενεργοποίησης υπό όξινες συνθήκες. Η απώλεια καταλύτη είναι ελάχιστη σε pH 7. Όταν το pH είναι μεγαλύτερο από 7 αλλά μικρότερο από 9, δεν συμβαίνει απώλεια καταλύτη. Ωστόσο, όταν το pH είναι μεγαλύτερο από 10, ο ρυθμός αντίδρασης παραμένει χαμηλός. Επομένως, η προσαρμογή της τιμής του pH μπορεί να μειώσει ή να αποτρέψει την απώλεια καταλύτη.
Η οπτανθρακοποίηση του καταλύτη είναι μια άλλη σημαντική αιτία απενεργοποίησης, γνωστή και ως απενεργοποίηση ρύπανσης καταλύτη. Αυτό προκαλείται κυρίως από την εναπόθεση άνθρακα, αζώτου και άλλων ουσιών που παράγονται κατά την αντίδραση στην επιφάνεια του καταλύτη. Εφαρμογές μηχανικής έχουν επαληθεύσει ότι ορισμένοι ετερογενείς καταλύτες παρουσιάζουν υψηλούς ρυθμούς αποικοδόμησης μέσα σε ένα συγκεκριμένο χρονικό πλαίσιο, ακολουθούμενο από απενεργοποίηση. Η ανάλυση της ενεργειακής φωτοηλεκτροχημικής χρωματογραφίας (ESCA) της επιφάνειας του καταλύτη αποκαλύπτει εναπόθεση άνθρακα, η οποία εμποδίζει την επαφή μεταξύ των αντιδρώντων στην υγρή φάση και την επιφάνεια του καταλύτη, οδηγώντας έτσι σε απενεργοποίηση.
