کاتالیزورها در صنعت مواد شیمیایی

کاتالیزورها در صنعت مواد شیمیایی قهرمانان گمنام دنیای صنعتی هستند که نقشی اساسی در تسریع واکنش‌های شیمیایی، کنترل گزینش‌پذیری و کاهش نیازهای انرژی ایفا می‌کنند. وجود این عوامل دگرگون‌کننده در طیف وسیعی از فرایندهای صنعتی، از تولید کودها، مواد شیمیایی و سوخت‌های تجدیدپذیر، ضروری هستند. کاتالیزور در مواد شیمیایی تعامل و واکنش بین مولکول‌ها را تسهیل می‌کند و انرژی فعال‌سازی موردنیاز برای تبدیل به محصول نهایی موردنظر را کاهش می‌دهد. کاتالیز را سنگ بنای جامعه مدرن می‌شناسند، به‌طوری‌که تقریباً ۹۰٪ از تمام محصولات شیمیایی تجاری که تولید می‌شود بر این فرایند دگرگون‌کننده تکیه دارند.

آشنایی با کاتالیزورها

کاتالیزور در مواد شیمیایی (در صنایع پالایشی و شیمیایی) در بهینه‌سازی راندمان فرایند و کیفیت محصول نقش اساسی دارد. به‌عنوان‌مثال، در پالایش نفت از کاتالیزورها برای تبدیل نفت خام به بنزین، گازوئیل و سایر محصولات باارزش استفاده می‌شود. در صنعت کود و کشاورزی برای تولید کودها، کاتالیزورها نقش مهمی در سنتز آمونیاک (یک جزء کلیدی در کودهای مبتنی بر نیتروژن) دارند. کاتالیز یک فرایند بسیار مهم برای توسعه پایداری، تولید انرژی، حفاظت از محیط‌زیست، تولید مواد غذایی و تصفیه آب و غیره است و فرایندهای کاتالیزوری تقریباً ۹۰ درصد از محصولات را در صنایع شیمیایی تولید می‌کنند. در ادامه به بررسی پنج کاتالیزور شیمیایی پرکاربرد مورداستفاده در صنعت می‌پردازیم:

آلومینوسیلیکاتها

آلومینوسیلیکات‌ها (به‌عنوان یک کاتالیزور در مواد شیمیایی) جزء حیاتی تولید در پتروشیمی مدرن هستند و این مخلوط‌های آلومینیوم و دی‌اکسید سیلیکون (بدیع‌ترین همتای آنها، زئولیت) فرایندی به نام «ترک کاتالیستی» را القا می‌کنند. همچنین می‌توان با استفاده از آنها هیدروکربن‌های کوچکی مانند اتیلن و پروپن را تولید، جمع‌آوری و استفاده کرد.

آهن

آهن از دیرباز به‌عنوان یک کاتالیزور در مواد شیمیایی ارجح برای تولید آمونیاک بوده است. همچنین با استفاده از روشی به نام فرایند هابر، گازهای نیتروژن و هیدروژن را می‌توان از روی چهار بستر ماده کاتالیزوری عبور داد تا به نرخ تقریباً ۹۷ درصد تبدیل شود.

وانادیوم

وانادیوم بیش از ۱۰۰ سال است که به‌عنوان یک کاتالیزور در مواد شیمیایی برای تولید اسید سولفوریک استفاده می‌شود و کیفیت و اندازه کاتالیزور وانادیوم ارتباط زیادی با خروجی کاتالیزوری نهایی دارد.

پلاتین و آلومینا

پلاتین و آلومینا کاتالیزورهای دو عملکردی بسیار مؤثری هستند. در طی عملکرد کاتالیزور پلاتین آلکان‌ها را هیدروژنه می‌کند و مولکول‌های آلکنی که به دست می‌آید توسط آلومینا جذب می‌شوند. به‌عنوان‌مثال، فرایندهایی مانند کاتالیزور در مواد شیمیایی امکان هیدروژن‌زدایی بوتان را به بوتن که یک واسطه شیمیایی مهم است، می‌دهد.

نیکل

نیکل به دلیل استفاده از آن به‌عنوان یک کاتالیزور در مواد شیمیایی با هزینه نسبتاً پایین بسیار ارزشمند است و همچنین عملکرد کاتالیزوری بالاتری نسبت به بسیاری از فلزات نجیب دیگر دارد.

مفهوم کاتالیزور شیمیایی

کاتالیزور در مواد شیمیایی سرعت یک واکنش را بدون مصرف در فرایند افزایش می‌دهد و در استوکیومتری کلی واکنشی که کاتالیز می‌کند ظاهر نمی‌شود؛ اما باید حداقل در یکی از واکنش‌های اولیه (در مکانیسم واکنش کاتالیز شده) مشخص شود. مسیر کاتالیز شده دارای Ea کمتری است، اما تغییر خالص انرژی حاصل از واکنش (تفاوت بین انرژی واکنش‌دهنده‌ها و انرژی محصولات) تحت‌تأثیر حضور کاتالیزور نیست. بااین‌وجود، به دلیل Ea پایین آن، سرعت پاسخ یک واکنش کاتالیز شده سریع‌تر از سرعت واکنش کاتالیز نشده در همان دما است. ازآنجایی‌که یک کاتالیزور ارتفاع سد انرژی را کاهش می‌دهد، حضور آن سرعت پاسخ هر دو واکنش (روبه‌جلو و عکس) را به میزان یکسانی افزایش خواهد داد.

فرایندها و واکنش‌های شیمیایی که کاتالیز می‌شوند در حضور مواد خاصی به نام کاتالیزور رخ می‌دهند و وظیفه اصلی آنها در سیستم‌ها کاهش انرژی فعال‌سازی است. ترکیبات شیمیایی خاص یا سیستم‌های از نوع پوسته هسته که به طور مستقیم سرعت فرایند را افزایش می‌دهند، معمولاً به‌عنوان کاتالیزور استفاده می‌شوند

انواع کاتالیزورها در صنعت مواد شیمیایی

در شیمی فرایند، کاتالیز یک واکنش خاص می‌تواند توسط یک کاتالیزور بیولوژیکی یا شیمیایی انجام شود. برخی از واکنش‌ها را می‌توان توسط هر دو گروه کاتالیزور کاتالیز کرد، درحالی‌که کاتالیزور مورداستفاده در گروه دیگر قابل‌تعویض نیست. در این بخش به بررسی سه دسته اصلی کاتالیزور در مواد شیمیایی می‌پردازیم: کاتالیزورهای ناهمگن، کاتالیزورهای همگن و آنزیم‌ها.

کاتالیزور ناهمگن

کاتالیزور در مواد شیمیایی ناهمگن در فازی متفاوت از واکنش‌دهنده‌ها قرار دارد و حداقل یکی از واکنش‌دهنده‌ها در یک فرایند فیزیکی به نام جذب سطحی با سطح جامد برهم‌کنش می‌دهد. این فرایند به‌گونه‌ای است که یک پیوند شیمیایی در واکنش‌دهنده ضعیف می‌شود و سپس می‌شکند. سموم موادی هستند که به طور برگشت‌ناپذیری به کاتالیزورها متصل می‌شوند و از جذب واکنش‌دهنده‌ها جلوگیری می‌کنند. همچنین آنها کارایی کاتالیزور را کاهش می‌دهند یا از بین می‌برند. نمونه‌ای از کاتالیز ناهمگن، بر همکنش گاز هیدروژن با سطح یک فلز، مانند Ni، Pd یا Pt است.

کاتالیزور همگن

کاتالیزور در مواد شیمیایی همگن، کاتالیزور در همان فاز واکنش‌دهنده‌ها است و تعداد برخوردها بین واکنش‌دهنده‌ها و کاتالیزور حداکثر است. همچنین کاتالیزور به طور یکنواخت در سراسر مخلوط واکنش پراکنده می‌شود. بسیاری از کاتالیزورهای همگن در صنعت ترکیبات فلزات واسطه هستند اما بازیابی این کاتالیزورهای گران‌قیمت از محلول یک چالش بزرگ بوده است. بسیاری از کاتالیزورهای همگن به‌عنوان مانعی برای استفاده گسترده تجاری از آنها، فقط در دماهای نسبتاً پایین قابل‌استفاده هستند و حتی در آن زمان نیز تمایل دارند به‌آرامی در محلول تجزیه شوند. پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن با چگالی بالا با کاتالیز همگن تولید می‌شوند.

آنزیم‌ها

آنزیم‌ها، کاتالیزورهایی هستند که به طور طبیعی در موجودات زنده وجود دارند. برخی از آنزیم‌ها کاتالیزورهای همگنی هستند که در محلول آبی بخش سلولی یک موجود زنده واکنش نشان می‌دهند. برخی دیگر کاتالیزورهای ناهمگنی هستند که درون غشاها وجود دارند و سلول‌ها و بخش‌های سلولی را از محیط اطرافشان جدا می‌کنند. واکنش‌دهنده در یک واکنش کاتالیز شده توسط آنزیم (کاتالیزور در مواد شیمیایی)، سوبسترا (substrate) نامیده می‌شود.

سوالات متداول کاتالیزورها در صنعت مواد شیمیایی

۱- کاتالیزورهای مورداستفاده در شیمی معدنی چیست؟

کاتالیزورهای معدنی که به‌عنوان کاتالیزورهای ناهمگن نیز شناخته می‌شوند شامل فلزات و اکسیدهایی هستند که بر روی مواد متخلخل پشتیبانی خواهند شد. همچنین کاتالیزورهای معدنی عملکرد عالی یک کاتالیزور در مواد شیمیایی مانند آنزیم‌ها را شبیه‌سازی می‌کنند

۲- مهارکننده‌های آنزیم کدام‌اند؟

مهارکننده‌های آنزیم تحت عنوان کاتالیزور در مواد شیمیایی با اتصال به بخش خاصی از آنزیم باعث کاهش سرعت پاسخ یک واکنش کاتالیز می‌گردد و در نتیجه کند کردن یا جلوگیری از وقوع واکنش می‌شوند

۳- کاتالیزورهای شیمیایی چه کاربردهایی دارند؟

کاتالیزور در مواد شیمیایی در تولید بسیاری از اقلام صنعتی و روزمره مانند لاستیک تایر، پلاستیک، سوخت و دارو نقش اساسی دارد. علاوه بر این، کاتالیزورهای شیمیایی در کاهش بسیاری از آلاینده‌های مضر ناشی از این فرایندها ضروری هستند.

۴- معایب کاتالیزورها چیست؟

کاتالیزور در مواد شیمیایی ممکن است گران و دارای ماهیت سمی باشد. یک کاتالیزور در واکنش شیمیایی تحت‌تأثیر ناخالصی‌ها قرار می‌گیرد و کار نمی‌کند. علاوه بر این، کاتالیزور نمی‌تواند تقطیر درهم‌تنیدگی را فعال کند، حتی اگر با سیستم موردنظر مرتبط شود.

۵- خطرات کاتالیزورها چیست؟

اثرات مخرب ناشی از قرارگیری در معرض یک کاتالیزور در مواد شیمیایی به ترکیب شکل آنها و میزان قرارگرفتن در معرض آنها بستگی دارد. این اثرات شامل تحریک و حساس شدن پوست (برخی کاتالیزورهای مبتنی بر فلز)، فیبروژنیسیته (زئولیت‌های طبیعی) و خوردگی (اسیدها) است.