Bài giảng Hóa học xanh: Chương 4 - TS. Nguyễn Đăng Khoa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Hóa học xanh" Chương 4 - Xúc tác trong công nghiệp hóa học, được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Sự xúc tác là gì?; Vì sao xúc tác quan trong cho phản ứng?; Phân loại xúc tác; Ứng dụng của xúc tác; Xúc tác trong công nghiệp hóa học;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hóa học xanh: Chương 4 - TS. Nguyễn Đăng Khoa

Hóa học xanh Chương 4: Xúc tác trong công nghiệp hóa học TS. Nguyễn Đăng Khoaa, TS. Lê Vũ Hàa, TS. Hồ Hoàng Phướcb a Bộ môn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM, Việt Nam b Viện nghiên cứu Jülich, Wilhelm-Johnen-Straße 52428 Jülich, Đức Liên lạc: khoand1989@hcmut.edu.vn, lvha@hcmut.edu.vn, phuoc@chalmers.se
12 Nguyên tắc của hóa học xanh Source: Center for Green Chemistry and Green Engineering at Yale 2024-08-25 2
Nội dung Sự xúc tác là gì? Vì sao xúc tác quan trong cho phản ứng? Phân loại xúc tác Ứng dụng của xúc tác Xúc tác trong công nghiệp hóa học Những xu hướng mới trong xúc tác 2024-08-25 3
Question Answer 1) Traditional process: Input A, B … + _________________ → Desired molecules + ______________________ 2) A reagent is an additional chemical that’s there solely to help ___________________ the reaction. 3) In a catalytic reaction, the inputs are added along with a ____________________. The catalyst gets the reaction going but remains itself _________________________ 4) What are the benefits of the 1) __________________________ 2) __________________________ catalysts? 3) __________________________ 4) ___________________________ 5) Names of some industries that use catalysts Source: Center for Green Chemistry and Green Engineering at Yale 2024-08-25 4
Input Reagent Desired product Byproduct 1) Which chemical is used to spark the reaction (or which chemical is the reagent)? 2) Which chemicals can be a part of waste? No byproducts 3) Pd on carbon plays as a _______________ for the reaction. • Less waste • Save time Catalysis is the central of Green Chemistry • Save energy 2024-08-25 5
Sự xúc tác là gì? Nhà máy hóa học Hơn 85% quá trình sản xuất hóa học sử dụng xúc tác Tác chất Sản phẩm Phân lập và Xúc tác Tinh chế Năng Chất thải lượng ▪ Xúc tác thúc đẩy phản ứng hóa học nhưng không thay đổi sau phản ứng. ▪ Quá trình xúc tác tham gia vào phản ứng và làm tăng tốc độ phản ứng gọi là sự xúc tác. ▪ Trong hầu hết trường hợp, sự thúc đẩy phản ứng của xúc tác là do giảm năng lượng hoạt hóa để xảy ra quá trình phản ứng → phản ứng xảy ra dễ dàng hơn và tiêu tốn ít năng lượng hơn → đáp ứng nhiều tiêu chí của hóa học xanh. 2024-08-25 6
Sự xúc tác là gì? Topsoe (tiền thân là Haldor Topsøe) là một công ty Đan Mạch được thành lập vào 1940 bởi Haldor Topsøe. Công ty hiện có khoảng 2300 nhân viên, trong đó, 1700 người làm việc ở Đan Mạch. Questions Short Answers 1) Give names of 4 chemical products in which catalysis plays a crucial role: …………………………………………………………………………………………………… 2) A catalyst is a compound that …………….. chemical reactions. This process is called ……………………………… 3) What is the greatest advantage of catalysis? …………………………………………………………………………………………………………. 4) How many different types of catalysts does Topsoe produce? …………………………………………………………………… 5) What is the use of TK catalyst for? ……………………………………………………………………………………………………………… 6) In a solid catalyst, the catalytic reaction takes place on the …………………………………. of the catalyst 7) What are the essential tasks to design 1) an optimal catalyst? 2) 2024-08-25 7
Sự xúc tác quyết định công nghiệp hóa học Xăng dầu Hóa chất cơ bản Hàng tiêu dùng Dược phẩm Các quá trình xúc tác đóng góp hơn 35% GDP toàn cầu Source: Center for Green Chemistry and Green Engineering at Yale Source: Wikipedia Commons 2024-08-25 8
10 câu hỏi ngắn liên quan đến lịch sử xúc tác và một số quá trình hóa học sử dụng xúc tác. → 5 phút cho thảo luận nhóm. 2024-08-25 9
Lịch sử của xúc tác Cerium Selenium Khám phá Silicon Zirconium (Zr) Titanium Thorium Khoáng chất (Berzelianite & Berzeliite) Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) Nhà hóa học Thụy Điển Cu2-xSe (x ≈ 0.12) (NaCa2)Mg2(AsO4)3 Thuật ngữ catalysis, được đề xuất vào 1835 bởi Jöns Jakob Berzelius, có nguồn gốc từ tiếng Hi Lạp: kata = down (xuống) và lyein = loosen (làm giảm) → làm giảm xuống Theo mô tả của Berzelius, xúc tác có thể được xem như một thành phần không liên quan đến ái lực hóa học giữa các tác nhân chính, nó giúp phản ứng xảy ra nhưng cuối cùng lại không xuất hiện trong sản phẩm. 2024-08-25 10
Năng lượng hoạt hóa Tác chất Tác chất Va chạm ngẫu nhiên Chất trung gian Lowered Sản phẩm activation tác Sản phẩm Xúc energy! Xúc tác làm giảm năng lượng hình thành trạng thái chuyển tiếp, từ đó giúp tiết kiệm năng lượng cho quá trình. Nhìn chung, xúc tác giúp quá trình hóa học hiệu quả hơn, an toàn hơn và bền vững hơn so với quá trình không sử dụng xúc tác → Giải thích ??? 2024-08-25 11
Quá trình sử dụng xúc tác đáp ứng các tiêu chí: #1: ….. #6: … Lowered activation energy! #9: … Source: Center for Green Chemistry and Green Engineering at Yale 2024-08-25 12
Vì sao xúc tác quan trọng trong công nghiệp? Quy mô phản ứng lớn → Lượng xúc tác lớn. YES/NO??? https://en.wikipedia.org/wiki/Fluid_catalytic_cracking https://newsnviews.larsentoubro.com/Lists/Posts/Post.aspx?ID=389 https://www.costacurta.com/products/reactor-internals/ Lowered Đặc tính quan trọng của xúc tác: activation Hoàn nguyên sau phản ứng energy! → Lượng xúc tác rất nhỏ so với nguyên liệu (có thể ở mức ppm, ppb) Source: Center for Green Chemistry and Green Engineering at Yale 2024-08-25 13
Lịch sử phát triển công nghiệp hóa dầu • Các sản phẩm dầu mỏ được thương mại hóa ở Titusville, Pennsylvania vào 1859 • Quá trình cracking nhiệt (thermal cracking, 370-400 oC, áp suất cao) được phát triển bởi Dr. William Burton vào 1913 (Burton process) • Được cải thiện thêm bởi Improved C. P. Dubbs, 400 – 460 oC (Dubbs process) • Cracking hơi nước (Steam cracking), 800-870 oC • Quá trình cracking xúc tác (catalytic cracking) được thương mại hóa vào 1937 • Cracking xúc tác tầng sôi (Fluid catalytic cracking, FCC) • Hydrocracking (có mặt Hydrogen) https://www.scienceskool.co.uk/crude-oil-cracking-and-biofuels.html 2024-08-25 14
Particulars Thermal cracking Catalytic cracking Definition Cracking of heavy hydrocarbons into smaller Cracking of heavy hydrocarbons ones by the application of sole heat into smaller ones by the application of heat in the presence of catalysts Temperature 400-1000 oC Reactor: 470-540 oC Regenerator: around 600 oC Regenerator Not required Required for catalyst recovery Waste Large amount of coke is produced Coke formation is low Pressure 70 atm 20 atm Mechanism Free radical mechanism Carbonium ion mechanism Pretreatment of feed General treatments are sufficient, to remove S Mandatory to protect the catalyst and N, and non-volatile gases from poisoning of S Products C2-C3, ring structures and unsaturates Gasoline with high octane values 2024-08-25 15
Các quá trình xúc tác phổ biến Thí nghiệm vô cơ: Na + H2O → NaOH + 1/2H2 Không cần xúc tác H+ Ester hóa: CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O NaOH solution Biodiesel synthesis 40-65 oC (crude grade) Biodiesel Xúc tác chứa Ni 700-1000 oC Steam reforming: sản CH4 + H2O 3-25 bar CO + 3H2 xuất syngas Xúc tác chứa Cu Tổng hợp methanol CO + 2H2 CH3OH từ syngas: 250-300 oC 50-150 bar Men (enzyme) C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 2024-08-25 16
Phân loại xúc tác - Phân loại theo pha vật lý: rắn, lỏng, khí - Phân loại theo thành phần hóa học: vô cơ, hữu cơ - Phân loại theo pha hoạt động: + Đồng thể (homogeneous catalysis): xúc tác và tác chất cùng một pha + Dị thể (heterogeneous catalysis): xúc tác và tác chất khác pha nhau - Phân loại theo đặc tính/chức năng: + Xúc tác acid-base (Acid/base catalyst) + Xúc tác enzyme (Enzymatic catalyst) + Xúc tác quang hóa (Photocatalyst) + Xúc tác điện hóa (Electrocatalyst) Source: Center for Green Chemistry and Green Engineering at Yale 2024-08-25 17
Cơ chế xúc tác Source: Center for Green Chemistry and Green Engineering at Yale Đồng thể: Tác chất Pha trung gian Sản phẩm Xúc tác Dị thể: Sản phẩm Tác chất Xúc tác rắn Enzyme: 2024-08-25 18
Phân loại xúc tác Questions Short Answers 1) Catalysts allow a reaction to take place via an alternative pathway with a …………………………… than the uncatalyzed reaction. We can divide catalysts into ……………………….. categories. 2) A heterogeneous catalyst has a ……………………………………………physical state to the reactants whereas a homogeneous catalyst has ……………………………… physical state as the reactants 3) In the Haber process, the gases nitrogen and hydrogen are reacted together to form the gas ammonia in the presence of …………….. catalyst which is a solid. This is an example of …………………………. …………………… catalysis 4) What are the three main stages of 1) ……………………… 2)…………………………… heterogeneous catalysis? 3) ……………………… 5) Write down the reaction responsible for …………………………………………………………………… ozone destruction in the atmosphere This is an example of…………………….. catalysis 6) What are the two main stages of 1) …………………………………………………….. homogeneous catalysis? 2) ………………………………………………………. 2024-08-25 19
Xúc tác dị thể Xúc tác đồng thể Xúc tác có pha khác với tác chất. Ví dụ, Xúc tác cùng pha với tác chất. Ví dụ, xúc xúc tác rắn, không tan trong pha phản tác tan trong pha phản ứng lỏng thành ứng lỏng. một dung dịch. • Xúc tác ở pha rắn • Cùng một pha với phản ứng • Có thể tái sử dụng • Khó/không thể tái sử dụng • Dễ tách ra khỏi phản ứng • Khó tách ra khỏi phản ứng • Tốc độ xúc tác chậm hơn • Tốc độ xúc tác nhanh hơn • Quá trình truyền khối khó khăn • Quá trình truyền khối dễ dàng • Tâm xúc tác dễ bị đầu độc • Khó bị đầu độc • Độ chọn lọc kém • Độ chọn lọc cao • Vòng đời sử dụng dài • Thời gian sử dụng ngắn • Đòi hỏi nhiều năng lượng hơn • Điều kiện phản ứng êm dịu hơn • Cơ chế khó nghiên cứu • Cơ chế dễ nghiên cứu Chỉ ra các ưu điểm của mỗi loại xúc tác ??? 2024-08-25 20