Катализаторы. Биогаз

   МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

   КРЕМЕНЧУЦКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

   им. МИХАИЛА ОСТРОГРАДСКОГО 
 

   КАФЕДРА «Инженерное материаловедение» 
 
 
 

   КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

   По  дисциплине «НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

   На  тему: «Катализаторы. Биогаз» 
 
 
 
 

   Выполнила  студентка

   группы  ПМ-07-1

   Калистратова  Е.А.

   Проверил

   Хасанов А.Т. 
 
 
 
 
 

   КРЕМЕНЧУГ 2010

   СОДЕРЖАНИЕ 

   Введение  3

1. Катализатор 4
1. Классификация катализаторов 4
2. Катализаторы в химии 12
3. Катализаторы в автомобилях 13
4. Основные признаки неисправного катализатора 17

2. Биогаз 21

       2.1 Технология получения биогаза       26

   2.2 Экологическая характеристика использования биоэнергетических установок            28

3. Выводы 30

4. Список использованной  литературы 31 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Введение

   Катализатором, или ферментом (в случае биохимической реакции), называется вещество, помогающее протеканию химической реакции, но не изменяющееся в ходе нее. В основе классификации катализаторов лежит определенная совокупность свойств или характеристик. Классификация по типу веществ, степени дискретности и коллективности действия, по специфике электронного строения. Использование в химических реакциях.

   Биогаз  — продукт сбраживания органических отходов (биомассы), включая органическую фракцию твердых бытовых отходов, навоз и фекалии человека, в анаэробных условиях (в метантенках). Представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов. Этот вариант биоэнергетики самый экологичный, так как для производства топлива не используется продовольственное сырье. Небольшие установки для получения биогаза широко применяются в теплых странах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Катализатор

   Это химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно (до миллиона раз) повторяется. 

   

 
 

   Классификации катализаторов

   Существуют  различные типы классификации катализаторов, в основе которых лежит определенная совокупность свойств или характеристик. Наиболее широко используется классификация по типу веществ, которые являются катализаторами. Она включает следующие группы катализаторов:

   1. Металлы (массивные, чистые, сплавы, скелетные, нанесенные) – гетерогенные катализаторы.

   Так, например, металлы VIII группы (Fe, Ni, Co, Pt, Pd) используются в качестве катализаторов гидрирования ненасыщенных соединений (главным образом алкенов и алкинов). Серебро является катализатором окисления и окислительного дегидрирования (например, синтез формальдегида из метанола).

   Металлические катализаторы могут быть компактными, скелетными, нанесенными. Pt-сетка (компактный металл в виде переплетенных нитей) – Кт окисления диоксида серы в триоксид (получение серной кислоты). Или известный катализатор гидрирования – Никель Ренея (это скелетный катализатор, который получается при выщелачивании сплава никель-алюминий).

   Нанесенные  катализаторы – палладий на угле (Pd/C), палладий на оксиде алюминия (Pd/Al₂O₃) и т.д.

   2. Твердые бинарные соединения металлов М_mЭ_n, где Э – О, S, Se, Te, As, P, C, N, Si, B, гетерогенные катализаторы. Из этой группы чаще всего используются оксиды или халькогениды металлов полупроводникового типа. Примерами служат оксиды MgO, ZnO, Fe₂O₃, Cr₂O₃, WO₃, MoO₃, V₂O₅ и др.

   Так, в синтезе серной кислоты в настоящее время используется V₂O₅.

   Катализаторы  этого типа широко применяются в  процессах гидрирования. Например, в синтезе метанола из СО и водорода по реакции:

   CO + H₂ → CH₃OH

   катализатором служит смесь оксидов:

Cr₂O₃+ZnO (I Kt, суммарное давление газов 250-300 атм, температура 300-400⁰С), Cr₂O₃+ZnO+CuO (II Kt, условия более мягкие: суммарное давление 50-100 атм., температура 220-270⁰С, однако, в отличие от предыдущего, катализатор чрезвычайно чувствителен к наличию серосодержащих примесей в исходных газах).

   Смесь оксидов молибдена, висмута и  фосфора состава MoO₃∙Bi₂O₃∙P₂O₅ – катализатор окислительного аммонолиза пропилена в акрилонитрил:

   CH₂=CH-CH₃ + NH₃ + 1.5 O₂ → CH₂=CH-CN + 3H₂O

   Сульфиды  молибдена и вольфрама состава  Mo_xS_y+W_xS_y являются хорошими катализаторами в процессах гидроочистки (обессеривания) нефтяных фракций –– в присутствии этих катализаторов происходит восстановление серосодержащих органических соединений до элементарной серы или сероводорода.

   3. Кислоты и основания (гомогенные и гетерогенные катализаторы) – протонные кислоты Бренстеда (НА) в водных и неводных средах, апротонные кислоты Льюиса – Усановича (BF₃, RI), протонные и апротонные центры твердых оксидов (оксиды алюминия, алюмосиликаты), любые типы оснований (в том числе твердые – МgO, CaCO₃, ионообменные смолы).

   На  таких катализаторах протекают  реакции кислотно-основного катализа, а именно крекинг нефтяных фракций (на алюмосиликатах и цеолитах), дегидратация и гидратация, синтез аминов из спиртов (на Al₂O₃), этерификация спиртов и кислот, конденсация альдегидов и кетонов.

   4. Комплексы металлов, включая соли (гомогенные и гетерогенные катализаторы). Следует отметить, что соли переходных металлов – это, как правило, комплексные соединения.

   Рассмотрим, например, Вакер-процесс (окисление этилена в ацетальдегид), который протекает в присутствии катализатора PdCl₂/CuCl₂. На самом деле PdCl₂ является линейным полимером, в котором атомы металла связаны хлоридными мостиками:

   

В растворе к присутствии хлорид-ионов, он деполимеризуется с образованием плоско-квадратных анионных комплексов палладия и именно эти анионные комплексы являются составной частью катализатора и участвуют в каталитическом цикле.

   

   В гидрировании алкинов и алкенов  катализатором служат фосфиновые комплексы родия состава RhCl(PPh₃)_3.

   В процессе карбонилирования метанола в  уксусную кислоту (процесс фирмы  Монсанто) в качестве предшественника  катализатора используют смесь карбонильных комплексов Rh(I) и иодистого метила (MeI).

   Катализаторы  реакции Реппе (карбонилирование алкинов в присутствии воды (гидрокарбоксилирование), спиртов или аминов) является тетракарбонил никеля состава Ni(CO)₄ – довольно лабильный комплекс, имеющий тетраэдрическое строение.

   5. Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы обладают уникальными свойствами: высокой производительностью в расчете на один реакционный центр и селективностью, связанной со специфичностью действия. Работают ферменты в очень мягких условиях, при атмосферном давлении и температуре до 40^о. В биологических системах отсутствуют неводные растворители и сильные кислоты и основания (рН≈7). Например, фермент уреаза гидролизует только молекулы мочевины, не обращая внимания на другие амиды, и делает это гораздо эффективнее обычных кислотных катализаторов (табл.1). 

 

   Таблица 1.

   Различные катализаторы, выпускаемые промышленностью, классифицируются по типу катализируемых реакций (кислотно-основные, окислительно-восстановительные); по группам каталитических процессов или особенностям их аппаратурно-технологического оформления (например, катализаторы синтеза аммиака, крекинга нефтепродуктов, катализаторы для использования в псевдоожиженном слое); по природе активного вещества (металлические, окисные, сульфидные, металлоорганические, комплексные и т.д.); по методам приготовления. Некоторые виды катализаторов, используемых в промышленности, приведены в табл.2. При помощи белковых катализаторов — ферментов — осуществляется обмен веществ у всех живых организмов.

   Некоторые промышленные катализаторы