3.5. Катализаторы на основе цеолитов

Цеолиты представляют собой каркасные алюмосиликаты, кристаллическая структура которых образована тетраэдрическими фрагментами [SiO₄]^4- и [AlO₄]^5-‚ объединенными общими вершинами в трехмерный отрицательно заряженный каркас, пронизанный полостями и каналами (окнами) размером 0,2 - 1,5 им. В пустотах кристаллической решетки цеолитов находятся молекулы воды и для баланса отрицательных зарядов решетки катионы щелочных и щелочноземельных металлов, способные обмениваться на другие катионы. Воду можно удалить при повышенной температуре без разрушения структуры цеолита, поэтому вода вновь поглощается при восстановлении исходных условий [6].

Цеолитные катализаторы в различных поливалентных катионных (или декатонированных) формах используют для проведения реакций органического и неорганического цикла: крекинг, гидрокрекинг, изомеризация, алкилирование, гидрирование, дегидрирование, окисление и т. д. В некоторых случаях они проявляют высокую активность без добавок промоторов, а в других - при нанесении на них активных компонентов. Цеолитные катализаторы термически стабильны, устойчивы по отношению к таким контактным ядам, как сернистые и азотсодержащие соединения, металлы, не вызывают коррозии аппаратуры. Развитая поверхность (по 800 м/г), способность к катионообмену и высокая механическая прочность цеолитов позволяют использовать их в качестве носителей каталитически активной массы [1].

В промышленности синтез цеолитов проводят путем смешения растворов алюмината натрия и жидкого стекла (или золя H₂SiO₄) либо смешением смесей растворов NaOH с прокаленным каолином. Образующийся при интенсивном перемешивании гидрогель затем нагревают в кристаллизаторе в течение нескольких часов. Условия проведения синтеза определяются типом получаемого цеолита. Например, при получении цеолита типа А температура в кристаллизаторе составляет 80-90 °C и длительность процесса 6 ч, при получении цеолита типа X соответствующие параметры равны 95 — 100 °С и 12 ч. При получении цеолита фожазит (близкий к типам X и Y) кристаллизацию проводят при температуре 100 — 120 °С в течение 12 ч.

На основе цеолитов получают цеолитсодержащие катализаторы путем сухого смешения или соосаждения составляющих катализатор компонентов матрицы и цеолита. Матрица цеолитсодержащего катализатора может состоять из Al₂O₃, SiO₂, глины или аморфного алюмосиликата. Матрица выполняет роль связующей для механически непрочного цеолита, поглощает теплоту и тем самым предохраняет цеолит от локальных перегревов и термического разложения, проявляет синергетический эффект в отношении активности цеолитов и их устойчивости к отравлению каталитическими ядами [6].

4. Методы исследования катализаторов

Исследование катализаторов проводят с целью определения их основных технических характеристик и потребительских свойств [1]. Наиболее важными из них являются активность и стабильность в работе.

Исследование активности, как основной кинетической характеристики, позволяет к тому же определять механизм протекания каталитических реакций, что дает информацию для управления этими реакциями при их практической реализации [13].

Большое значение имеют также исследования удельной поверхности, пористой структуры и фазового состава катализатора, дающие основу для получения характеристик, определяющих важнейшие эксплуатационные свойства контактных масс.