Kataliza heterogeniczna

W dziedzinie katalizy zajmujemy się reaktorami strukturalnymi w procesach związanych z ochroną środowiska. Reaktory strukturalne to pomysł na zwiększenie parametrów transportu masy i ciepła reagentów, a także na dowolne powiększanie skali procesów, co jest zasadniczym problemem inżynierskim w projektowaniu procesów w dużej skali.

Wykorzystanie praktyczne tego typu struktur uzależnione jest od wynalezienia aktywnych nanokompozytowych katalizatorów, które sprostałyby zwiększonym właściwościom transportowym, a także precyzyjnych metod preparatyki katalizatorów o zadanej strukturze i właściwościach na podłożach metalowych (strukturalnych wypełnieniach reaktorów), które nie powodowałyby zmiany ich geometrii. Są to dwa główne zadania, którymi zajmuje się Zespół. Katalizatory oparte na tlenkach metali badane są pod kątem ich wykorzystania w procesach dopalania lotnych związków organicznych oraz redukcji tlenków azotu. Do nakładania materiału katalitycznego na podłoża stałe sprawdziły się dotychczas metoda filmów Langmuira oraz metoda plazmy niskotemperaturowej.

Rozwój katalizy heterogenicznej osiągnął poziom, na którym dla wielu procesów poprawa efektywności ich przebiegu zależy już jedynie od pokonania barier transportu ciepła, pędu i masy. W tradycyjnej katalizie heterogenicznej prowadzonej w złożach stałych w reaktorach rurowych, procesy transportu rozpatrywane są w skali narzuconej przez wymiar ziaren (>10^-3 m). Zmniejszenie skali w konwencjonalnym reaktorze rurowym poprzez zmniejszanie jego średnicy (10^-2 m) i wymiaru ziaren.

Mikrostrukturalne wypełnienia reaktorów wykonane są zwykle ze specjalnie ukształtowanych siatek, drutów lub blach o powierzchniach właściwych (geometrycznych) od 500 do ponad 10 000 m²/m³. Na odpowiednio spreparowanych powierzchniach takich wypełnień osadzana jest warstwa katalizatora o właściwościach odpowiadających wymaganiom danego procesu chemicznego.

W porównaniu z monolitami ceramicznymi, reaktory z wypełnieniem strukturalnym mogą zapewnić uzyskanie znacznie lepszych parametrów pracy. W szczególności można w nich uzyskać niższe opory dyfuzyjne i opory przepływu, mniejszą bezwładność cieplną oraz większą odporność na dezaktywację termiczną. Ich zaletą jest również to że, geometrię wypełnienia można zoptymalizować dla konkretnego procesu katalitycznego. Wykazano, że w mikrostrukturach siatkowych i krótko kanałowych, pracujących w obszarze rozwijającego się przepływu laminarnego i projektowanych dla reakcji dopalania węglowodorów, można uzyskać wysokie współczynniki transportowe przy niewielkich oporach przepływu, a także zasadniczo zmniejszyć wymiary reaktora. Dodatkowo mikrostruktury praktycznie eliminują możliwość osadzania się aglomeratów koksowych i zatykanie przez nie kanałów, co jest istotne w przypadku procesów związanych z konwersją węglowodorów.

Bardzo małe rozmiary kanałów w mikrostrukturach stawiają szczególne wymagania dla preparatyki katalizatora na ich powierzchni. Z punktu widzenia projektowania mikrostruktur, katalizator, z uwzględnieniem wszystkich warstw podkładowych, powinien spełniać trzy warunki:

• • • • posiadać niewielką, równomierną, ściśle kontrolowaną i powtarzalną grubość, aby umożliwić jej uwzględnienie już na etapie projektowania struktury,
      • wykazywać bardzo dobrą przyczepność do podłoża, trwałość mechaniczną i termiczną,
      • posiadać wysoką aktywność, dostosowaną do zwiększonych parametrów transportowych reaktora.

Te wymagania z góry eliminują wiele powszechnie stosowanych metod preparatyki.