Com base nos diferentes componentes ativos, os catalisadores heterogêneos podem ser divididos em metais e seus sais, óxidos metálicos e catalisadores compostos de óxido metálico; com base em seu formato, eles podem ser divididos em formato esférico, colunar curto e favo de mel; com base no seu processo de preparação, podem ser divididos em aqueles que utilizam suporte e aqueles que não utilizam suporte.
Catalisadores heterogêneos-de estado sólido evitam em grande parte a perda de catalisador, são mais fáceis de separar das águas residuais e têm vantagens como boa atividade, boa estabilidade e processo de tratamento curto;
No entanto, há transferência de massa entre fases heterogêneas do catalisador, e os sólidos suspensos nas águas residuais e nos intermediários da reação podem fazer com que as partículas do catalisador sejam revestidas ou bloqueadas, levando à desativação.
I. Tipos de Catalisadores
(1) Catalisadores metálicos/suportados
Na tecnologia de oxidação catalítica heterogênea, os catalisadores de metais nobres são amplamente utilizados devido à sua alta atividade, longa vida útil e forte adaptabilidade. Catalisadores feitos com metais nobres como P, Pd e Ru como componentes ativos não apenas possuem locais de adsorção de hidrocarbonetos compatíveis, mas também um grande número de locais de adsorção de oxigênio, que podem sofrer rapidamente ativação de oxigênio e adsorção de hidrocarbonetos à medida que a reação superficial prossegue. Para obter melhor dispersibilidade e reduzir a quantidade de metal utilizado, a impregnação é frequentemente empregada para suportar metais em transportadores com áreas superficiais específicas altas, como Al3O2, SiO2, carvão ativado, TiO2, CeO2 e ZrO2.
(2) Óxido metálico/catalisadores suportados
A seleção de catalisadores em processos de oxidação catalítica requer a consideração de numerosos fatores, tais como as propriedades da solução, a capacidade catalítica do catalisador e a sua estabilidade térmica em água. Dentre estes, os óxidos metálicos são altamente valorizados devido à sua alta estabilidade e boa atividade.
Com base na sua estabilidade, os catalisadores podem ser classificados da seguinte forma: 1. Óxidos que são mais estáveis sob condições de alta oxidação, tais como óxido de titânio, óxido de vanádio, óxido de cromo, óxido de magnésio, óxido de zinco e óxido de alumínio; 2. Óxidos com estabilidade moderada, como óxido de ferro, óxido de cobalto, óxido de níquel e óxido de chumbo; 3. Óxidos em estado instável de alta-oxidação-e metais nobres, como platina, paládio, rutênio e ouro.
(3) Óxido Composto/Catalisadores Suportados
Com base no princípio complementar da regulação da atividade catalítica, espera-se que os catalisadores de óxidos compostos alcancem maior atividade catalítica. Os efeitos sinérgicos podem aumentar a atividade do catalisador e inibir a dissolução dos componentes ativos. Por exemplo, a combinação de CoO, CuO ou NiO com óxidos de Fe (III), Pt ou Ru é um catalisador de oxidação eficaz.
II Base de seleção de catalisador
(1) Seleção do Catalisador
Ao selecionar um catalisador, geralmente devem ser utilizados catalisadores com as seguintes características:
1. Taxa de oxidação rápida e melhor contato de fase, acelerando assim a reação;
2. Não-seletivo, possibilitando oxidação completa;
3. Propriedades físico-químicas estáveis em soluções ácidas quentes;
4. Alta atividade e longa vida útil em altas temperaturas e insensível a venenos;
5. Alta resistência mecânica e resistência ao desgaste.
(2) Seleção de Suporte Catalisador
Com base na composição das partículas de suporte do catalisador, ele pode ser dividido em três tipos: suportes particulados, suportes de granulação grossa-e substratos.
Ao usar catalisadores, os seguintes pontos são normalmente considerados:
1. Composição química e dispersão;
2. Propriedades físico-químicas da superfície-porosidade, adsorção, propriedades eletroquímicas e mecânicas;
3. Espessura e quantidade de material ativo que pode ser carregado;
4. Força e estabilidade específicas;
5. Estabilidade química;
6. Resistência à abrasão, dureza e resistência à compressão;
7. Participação em reações catalíticas.
III Causas da Desativação do Catalisador
Além de alta atividade e boa seletividade, os catalisadores também devem possuir boa resistência mecânica e estabilidade, com a estabilidade afetando sua capacidade de degradar a atividade.
Após um período de uso, os catalisadores sofrerão desativação, principalmente devido à perda de material catalisador e à coqueificação.
A perda do catalisador é uma das principais causas de desativação. Esta perda é afetada principalmente pelo pH, fazendo com que os componentes ativos se dissolvam. Estudos experimentais demonstraram que o pH das águas residuais tem um impacto significativo na oxidação da matéria orgânica na fase líquida.
Por exemplo, catalisadores de ozônio heterogêneos apresentam baixas taxas de reação e altas taxas de desativação sob condições ácidas. A perda de catalisador é mínima em pH 7. Quando o pH é superior a 7, mas inferior a 9, não ocorre perda de catalisador. No entanto, quando o pH é superior a 10, a taxa de reação permanece baixa. Portanto, ajustar o valor do pH pode reduzir ou prevenir a perda de catalisador.
A coqueificação do catalisador é outra causa importante de desativação, também conhecida como desativação da incrustação do catalisador. Isto é causado principalmente pela deposição de carbono, nitrogênio e outras substâncias produzidas durante a reação na superfície do catalisador. Aplicações de engenharia verificaram que alguns catalisadores heterogêneos apresentam altas taxas de degradação dentro de um determinado período de tempo, seguida de desativação. A análise da superfície do catalisador por cromatografia fotoeletroquímica energética (ESCA) revela deposição de carbono, o que dificulta o contato entre os reagentes na fase líquida e a superfície do catalisador, levando à desativação.