کاتالیزورهای صنعتی؛ انواع و کاربردهای آنها در صنایع مختلف

کاتالیزورهای صنعتی، موادی کارآمد در هسته اصلی فرآیندهای تولید و سنتز شیمیایی به حساب می آیند. این ترکیبات را قهرمانان دنیای صنعت معرفی کرده اند چرا که در تسریع واکنش های شیمیایی، کنترل گزینش پذیری (واکنش های انتخابی) و کاهش مصرف انرژی، نقش اساسی ایفا می کنند. این مواد مهم، در طیف وسیعی از فرآیندهای صنعتی، از تولید کودها و مواد شیمیایی گرفته تا سنتز سوخت های تجدیدپذیر، بسیار ضروری هستند. نقش فناوری سنتز کاتالیزورهای زیستی برای فرآیندهای کربن زدایی و کاهش انتشار آلاینده های صنعتی، این روزها بسیار شناخته شده است.

توانایی افزایش کارایی واکنش های شیمیایی بدون مصرف در فرآیند، ویژگی برجسته و ماهیت ذاتی انواع کاتالیزورهای صنعتی است. کاتالیزورها تعامل و واکنش بین مولکول ها را تسهیل می کنند و انرژی فعال سازی مورد نیاز برای تبدیل به محصول نهایی مورد نظر را کاهش می دهند. با کاهش سد انرژی، کاتالیزورها به طور قابل توجهی می توانند نرخ پیشروی واکنش ها را افزایش دهند؛ این نوع عملکرد به ویژه در مقیاس های وسیع فرآیندهای صنعتی، صرفه اقتصادی دارد و بخش مدیریت هزینه ها را به خوبی مدیریت می کند.

بیشتر بخوانید: خدمات ترجمه متون شیمی انگلیسی در اصفهان

کاتالیزورها چه موادی هستند و انواع آنها کدام است؟

کاتالیست (کاتالیزور) تقریباً در تمام فرآیندهای شیمیایی نقش اساسی ایفا می کند. اکثر واکنش های شیمیایی و بیولوژیکی در حضور کاتالیزورها انجام می شود. کاتالیزورها مواد شیمیایی هستند که وقتی به یک سیستم واکنش اضافه می شوند، مسیر جنبشی واکنش را تغییر می دهند، اما خودشان در واکنش دخالتی ندارند یا مصرف نمی شوند. در حال حاضر بیش از ۹۰ درصد فرآیندهای شیمیایی با حضور این مواد انجام می شود. مفهوم کاتالیست و کاتالیزور در ابتدا در قرن نوزدهم فرموله شد و در طول سال ها به طور قابل توجهی تکامل یافت.

چه موادی می توانند به عنوان یک کاتالیزور عمل کنند؟

برخی از فرآیندها و واکنش های شیمیایی برای انجام و رسیدن به هدف، به حضور مواد خاصی به نام کاتالیزور نیاز دارند. وظیفه اصلی کاتالیزورهای صنعتی در سیستم ها، کاهش انرژی فعال سازی است که به طور مستقیم سرعت فرآیند را افزایش می دهد. انتخاب یک کاتالیزور مناسب، موضوع مهمی برای همه صنایع است زیرا کارایی فرآیند به عملکرد آن بستگی دارد.

ویژگی های اساسی کاتالیزورها و عملکرد آنها در سیستم های صنعتی به صورت زیر بیان می شوند:

• وجود یک کاتالیزور در یک واکنش، در معادله مولکولی واکنش شیمیایی گنجانده نشده است زیرا با مواد اولیه یا محصولات، واکنش نمی دهد.
• پس از پایان واکنش، کاتالیزور، قابل بازیابی است؛ بنابراین، واکنش کاتالیزوری را می توان به صورت چرخه ای توصیف کرد.
• کاتالیزور باید به راحتی از محصولات به دست آمده از واکنش شیمیایی جدا شود.
• کاتالیزور به هیچ وجه بر وضعیت تعادل واکنش تأثیر نمی گذارد و بنابراین ترمودینامیک آن را تغییر نمی دهد.
• کاتالیزورها باید سه ویژگی اساسی داشته باشند: فعالیت بالا، گزینش پذیری بالا و پایداری در طول زمان.

کاتالیزورها باید دارای برخی ویژگی های ساختاری و عملکردی باشند؛ از جمله اندازه منافذ مناسب، فاز کریستالی، توانایی خرد شدن، درجه واکنش های کاهش، خواص سیال، قابلیت پوشش دهی، ترکیب شیمیایی حد واسط، داشتن سطح موثر، اندازه دانه بندی و موارد دیگر.

بیشتر بخوانید: کربن فعال چیست و روش های تولید آن کدام است؟

نمونه هایی از موادی که می توانند به عنوان کاتالیزورهای صنعتی استفاده شوند

۱- فلزات

فلزات کاتالیزورهای بسیار خوبی هستند و به راحتی در صنعت استفاده می شوند. در این میان، فلزات واسطه توجه ویژه ای را به خود جلب کرده اند زیرا می توانند دو یا چند حالت اکسیداسیون داشته باشند؛ به عنوان مثال، فلز آهن در حالت های اکسید آهن (II) یا اکسید آهن (III) وجود دارد. این فلزات دارای لایه d اوربیتالی هستند که به طور کامل هنوز پر نشده و به آنها امکان می دهد به راحتی الکترون های مولکول های دیگر را بپذیرند. در سال های اخیر، کاتالیزورهای صنعتی سنتزی بر اساس نانوذرات فلزی، به دلیل خواص منحصر به فردشان اهمیت زیادی پیدا کرده اند.

سایر انواع فلزات که به عنوان کاتالیزورها در صنعت به کار می روند به شرح زیر هستند:

• پلاتین (Pt)

پلاتین با نماد اختصاری Pt، فلزی است که در فرآیندهای هیدروژناسیون گروه عاملی، یا هیدروژن زدایی در سنتز ترکیبات آلی استفاده می شود. این ماده از نظر شیمیایی، بی اثر بوده و در محیط های اکسید کننده، پایدار است و رطوبت بالایی دارد. در دمای بالاتر از ۴۵۰ درجه سانتیگراد، لایه ای از دی اکسید پلاتین روی سطح آن تشکیل می شود. پلاتین در ترکیبات مختلف، در چندین حالت اکسیداسیون وجود دارد، اما معمولاً به عنوان کاتالیزور، حالت های اکسایشی II یا IV را بروز می دهد. پلاتین علاوه بر کاربرد در فناوری های شیمیایی، در مبدل های کاتالیزوری خودرو نیز استفاده می شود. این ماده با اتصال اتم های اکسیژن به اکسید کربن (II) سمی در اگزوز خودرو، آلاینده ها را حذف می کند. دی اکسید کربن، یکی از گازهای آلاینده هوا است.

• پالادیوم (Pd)

کاتالیزورهای بر پایه فلز پالادیوم در طیف وسیعی از واکنش‌های آلی مانند واکنش های چرخه ای، هیدروژناسیون، اکسیداسیون، ایزومریزاسیون، واکنش‌های رادیکالی و غیره نقش دارند. این دسته از کاتالیزورهای صنعتی، تحمل بالایی نسبت به گروه‌های عاملی مختلف نشان می‌دهند و اغلب دارای گزینش‌پذیری عالی هستند. این مواد، نیاز به استفاده از ترکیبات بلوکه کننده گروه های عاملی در برخی واکنش های شیمیایی را برطرف می سازند. علاوه بر این، کاتالیزورهای پالادیوم به ویژه در هیدروژناسیون انتخابی، موثر هستند و امکان تولید محصولات مورد نظر را در یک چرخه واکنش واحد فراهم می‌کنند.

• نیکل (Ni)

به عنوان یک کاتالیزور خوب در صنعت، فلز نیکل، نقش کلیدی در بسیاری از واکنش های آلی دارد؛ واکنش هایی مانند اکسیداسیون – کاهش، واکنش سیکلی، تشکیل پیوند کربن – هترواتم و … دارد. نیکل دارای چند حالت اکسیداسیون در ترکیبات مختلف است که عبارت است از: نیکل II، نیکل III و نیکل IV.

نیکل یک عنصر نسبتاً واکنش پذیر است، در حالی که پایداری شیمیایی بالایی نیز از خود نشان می دهد. این فلز، ارزان تر از سایر کاتالیزورهای بر پایه فلزات واسطه است، به همین دلیل است که اغلب به عنوان جایگزینی برای پالادیوم استفاده می شود.

• طلا (Au)

برخی از واکنش های کاتالیزوری در حضور طلا انجام می شود. فعالیت کاتالیزوری این فلز گرانبها به شدت، به اندازه و ساختار بلورها بستگی دارد. تأثیرگذاری این نوع کاتالیزورها به روش تهیه آنها نیز بستگی دارد. کاتالیزورهای شامل طلا معمولاً کنگلومراهایی از این عنصر، همراه با یک حامل مناسب هستند که به عنوان مثال اکسیژن کافی برای افزایش بیشتر فعالیت طلا را تامین می کنند.

کمپلکس های این فلز، کاتالیزورهای بسیار خوبی برای واکنش‌های تشکیل پیوند کربن – کربن، کربن – نیتروژن یا کربن – اکسیژن هستند، زیرا به راحتی می‌توانند پیوندهای دوگانه و سه‌ گانه در زنجیره‌های کربنی را فعال کنند. نمونه‌هایی از واکنش‌هایی که توسط طلا کاتالیز می‌شوند عبارتند از: اکسیداسیون اکسید کربن (II)، اکسیداسیون الکل‌ها و آلدهیدها، واکنش‌ های اپوکسیداسیون، هیدروژنه شدن آلدئیدها و غیره.

بیشتر بخوانید: اثرات فاضلاب صنعتی بر محیط زیست

۲- ترکیبات غیر آلی یا معدنی (Inorganic compounds)

ترکیبات معدنی، به ویژه اکسیدهای فلزی و غیرفلزی، برخی نمک‌ها و اسیدها، نمونه‌هایی از کاتالیزورهای معدنی هستند که در صنعت کاربرد دارند. به طور معمول، این مواد بر روی حامل های خاص که مواد متخلخل هستند (مانند کربن، سیلیس یا آلومینا) رسوب می کنند. این موارد از مهم ترین خواص کاتالیزوری است و هرچه سطح حامل بزرگتر باشد، سطح تماس بین واکنش دهنده ها بیشتر است. یک مسئله مهم در انتخاب یک ترکیب معدنی به عنوان کاتالیزورهای صنعتی این است که بر اساس تعداد مراکز فعال آن، هدایت شود. وجود تعداد زیادی از مراکز فعال در کاتالیست که واکنش دهنده های حاضر در واکنش کاتالیز شده به آنها متصل می شوند، بازده واکنش را افزایش می دهد.

این ترکیبات معدنی را در قسمت زیر معرفی کرده ایم:

• اکسید وانادیوم (V)

کاتالیزورهای اکسید وانادیوم با فرمول V_۲O_۵ تقریباً در تمام واکنش های اکسیداسیون مؤثر هستند. این دسته از مواد، نقش مهمی در صنایع شیمیایی مدرن عصر حاضر دارند. یکی از مهمترین کاربردهای این کاتالیزورها، تولید اسید سولفوریک است. اکسید وانادیوم (V)، واکنش اکسیداسیون اکسید گوگرد (IV) و تبدیل به اکسید گوگرد (VI) را کاتالیز می کند؛ سپس جذب اسید سولفوریک می شود.

در این فرآیندها، کاتالیزور وانادیوم به عنوان بستر تماسی عمل می کند، زیرا در فاز متفاوتی با سایر واکنش دهنده ها قرار دارد. اکسید وانادیوم در صنعت معمولاً به صورت حامل با فاز فعال روی سطح آن استفاده می شود. از مزایای اصلی این نوع کاتالیزور صنعتی می توان به نقطه اشتعال پذیری پایین، پایداری در طول فرآیند یا ضریب جذب بالا اشاره کرد. علاوه بر تولید اسید سولفوریک، اکسید وانادیوم (V) به عنوان کاتالیزور در تولید لاستیک، کراکینگ نفت و سنتز برخی از ترکیبات با وزن مولکولی بالا استفاده می شود.

• کلرید آلومینیوم (Aluminium chloride)

رایج ترین موارد استفاده از کلرید آلومینیوم به عنوان کاتالیزورهای صنعتی در سنتز آلی واکنش “آلکیلاسیون فریدل کرافت” است. AlCl3 در حالت تجمعی (فاز جامد)، نسبت به سایر واکنش دهنده ها مجزا قرار می گیرد، بنابراین در این حالت، یک کاتالیزور ناهمگن است. خواص کاتالیزوری آن مربوط به ساختار شیمیایی و خواص اسیدی آن است (اسید لوئیس). ویژگی اصلی آن را می توانیم در توانایی کاتالیزور در پذیرش جفت الکترون از بازهای لوئیس عنوان کنیم. کلرید آلومینیوم به عنوان کاتالیزور و یک اسید لوئیس، با مولکول های انتخابی ترکیب می شود و پس از آن، کمپلکس هایی را تشکیل می دهد و سپس می تواند به کربوکاتیون ها تجزیه شود.

• اسید سولفوریک (Sulfuric acid)

اسید سولفوریک یکی از ترکیباتی است که خواص کاتالیزوری اندکی برای واکنش های شیمیایی انتخابی دارد. نمونه هایی از این واکنش تبدیل عبارتند از: واکنش استریفیکاسیون اسید استیک با اتانول یا واکنش نیتراسیون ترکیبات آروماتیک. سپس اسید به عنوان یک کاتالیزور همگن عمل می کند. به عنوان یک اسید بسیار قوی، هنگامی که سولفوریک اسید وارد محیط واکنش می شود، یون های هیدروژن را آزاد می کند که فرآیندها را پیش ببرد. علاوه بر این، خاصیت مهم دیگر اسید سولفوریک، تنظیم رطوبت محیط واکنش است. اسید می تواند تعداد مولکول‌های آب که در فرآیند استری‌ شدن تشکیل‌ شده محدود کند، و این شرایط، وضعیت تعادل را تغییر می‌دهد؛ که به موجب آن محصولات بیشتری تشکیل می ‌شوند.

۳- بیوکاتالیست ها یا کاتالیزورهای زیستی (Biocatalysts)

بیوکاتالیست‌ها ترکیبات شیمیایی هستند که واکنش‌هایی را که در بدن انسان انجام می شوند، کاتالیز می‌کنند. این نوع کاتالیست ها عناصر حیاتی در تمام تحولات بیوشیمیایی هستند. بزرگترین گروه بیوکاتالیست ها، آنزیم ها هستند؛ و کاتالیزورهای غیر پروتئینی، یعنی ریبوزیم ها نیز دسته دیگری از این ترکیبات هستند.

• آنزیم ها

آنزیم ها کاتالیزورهای انتخابگر هستند که سرعت و گزینش پذیری واکنش های متابولیک را به طور قابل توجهی افزایش می دهند. این ترکیبات در تمام واکنش های شیمیایی ارگانیسم ها نقش دارند. آنزیم ها به عنوان کاتالیزورهای آلی (یا به صورت زیست کاتالیزورها)، توسط سلول ها تولید می شوند. آنزیم ها می توانند شامل پروتئین های ساده و یا پروتئین هایی با ساختار پیچیده باشند. آنزیم‌ها واکنش‌های اکسیداسیون و احیای ترکیبات آلی پیچیده، انتقال گروه‌های عاملی، هیدرولیز یا تخریب پیوندهای شیمیایی، تغییر ایزومریزاسیون مولکول‌ها یا تشکیل پیوندهای کووالانسی جدید را کاتالیز می‌کنند. نمی توانیم از نقش مهم آنها در بدن انسان چشم پوشی کنیم. این ترکیبات تقریباً در تمام فرآیندهای حیاتی، چه آنابولیک و چه کاتابولیک شرکت می کنند. با کاتالیز کردن واکنش های انتخابی می توانند جهت مسیرهای متابولیک در بدن را تحت تأثیر قرار دهند.

بیشتر بخوانید: انواع مواد شیمیایی صنعتی

کاربردهای کاتالیزورهای صنعتی

کاتالیزورهای صنعتی در تقریباً ۹۰٪ از تمام فرآیندهای شیمیایی کاربرد دارند. کاتالیزورها در صنایع مختلفی از جمله پتروشیمی، داروسازی، تولید مواد غذایی و انرژی استفاده می شوند. انواع کاتالیزور، امکان تبدیل مواد خام به تولیدات با ارزش را فراهم می کنند، هزینه فرآیندهای گران قیمت را کاهش می دهند و کیفیت هوا را با کاهش انتشار آلاینده های مضر بهبود می بخشند.

۱- کاربرد کاتالیزورها در فرآیندهای صنعتی

در صنایع پالایشگاهی و شیمیایی، کاتالیزورها در بهینه سازی راندمان فرآیند و افزایش کیفیت محصول نقش اساسی دارند. به عنوان مثال، در پالایش نفت، از کاتالیزورها برای تبدیل نفت خام به بنزین، گازوئیل و سایر محصولات با ارزش استفاده می شود. در تولید کودها، کاتالیزورها در سنتز آمونیاک، یک جزء کلیدی در کودهای نیتروژن دار نقش مهمی دارند. علاوه بر این، کاتالیزورها در تولید پلیمرها، داروها و مواد شیمیایی ویژه، حیاتی هستند؛ یعنی درست جایی که کنترل دقیق بر انتخاب واکنش و خلوص محصول نیاز است.

۲- کاربرد در هدایت و انتقال انرژی

همانطور که جهان به سمت آینده ای نوین، با فناوری های کربن زدایی حرکت می کند، کاتالیزورها در انتقال انرژی نقش مهمی ایفا می کنند. پیشگامان سنتز کاتالیزورهای صنعتی، طیف وسیعی از کاتالیزورها را ارائه داده اند که به طور خاص برای تولید سوخت‌های تجدید پذیر و کم کربن طراحی شده‌اند؛ از جمله به عنوان مثال سوخت دیزل تجدید پذیر، SAF (سوخت هوانوردی پایدار) (Sustainable Aviation Fuel)، متانول، هیدروژن کم کربن و آمونیاک سبز. این کاتالیزورها فرآیندهای کارآمدتر و سریع‌تر تولید را ممکن می سازند و به کاهش انتشار گازهای گلخانه ‌ای توسط صنعت انرژی کمک می‌کنند.

بیشتر بخوانید: آب های زیرزمینی؛ منابعی مهم در کره زمین

**مروری بر کاتالیزورها در صنعت

مقدار زیادی انواع کاتالیزورهای صنعتی در بخش صنایع شیمیایی مصرف می شود. یک کاتالیزور مناسب در تحقیقات شیمیایی و صنعتی و همچنین در آزمایشگاه های تحقیقاتی مختلف بسیار پرکاربرد است. بهترین استفاده از کاتالیزورها به عنوان جایگزین مناسب با روش جایگزین سازگارتر با محیط زیست، به جای مواد شیمیایی مضر است.

**کاتالیزورهای صنعتی چطور عمل می کنند؟

• کاتالیزورها سرعت واکنش های شیمیایی را افزایش می دهند و در شکست یا تشکیل پیوندها نقش دارند اما خودشان در واکنش شرکت نمی کنند.
• کاتالیزور در واقع عامل مهمی است که انرژی فعال سازی مورد نیاز برای واکنش (بدون حضور کاتالیز) را کاهش می دهد.
• با یافتن بهترین راه حل می توان مقدار واکنش دهنده را که باعث تولید محصولات جانبی ناخواسته می شود، کاهش داد.
• دو نوع کاتالیزور وجود دارد: کاتالیزورهای همگن و کاتالیزورهای ناهمگن.

۳- کاربرد کاتالیزورها در صنعت داروسازی

کاربردهای کاتالیست ها در صنعت داروسازی به تدریج افزایش داشته است. کاتالیزورها نقش حیاتی در فناوری ها ایفا می کنند و امکان انجام فرآیندهای مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست را فراهم می کند. توسعه یک فرآیند کاتالیزوری موفق در مقیاس های تجاری، چالش برانگیز است و همکاری متخصصان مختلف را طلب می کند.

۴- کاربرد کاتالیزورها در صنعت نفت

تقاضای روزافزون تولید پلیمرها، پالایش نفت و صنایع پتروشیمی باعث شده است که نیاز به کاتالیزورها بسیار احساس شود. امروزه فناوری سنتز کاتالیزورهای صنعتی، توسعه یافته و درصد زیادی از آنها بر پایه مواد نانو هستند.

بیشتر بخوانید: باران اسیدی چیست و چه اثراتی بر محیط زیست دارد؟

جمع بندی و نتیجه گیری

کاتالیزورهای صنعتی، موادی هستند که می توانند انجام واکنش ها را تسریع کنند و در نتیجه باعث می شوند واکنش در مدت زمان کوتاه تر و با راندمان بالاتر انجام شود. یک کاتالیزور در تحقیقات مختلف صنایع شیمیایی و صنعتی و همچنین در آزمایشگاه های تحقیقاتی مختلف نقش حیاتی ایفا می کند. انواع کاتالیزور با ساختارها و ویژگی های شیمیایی و فیزیکی مختلف و متنوع وجود دارد که به طور مداوم در حال توسعه هستند و تقاضای زیادی دارند.

ترجمه تخصصی: اولتراشیمی