Op basis van de verschillende actieve componenten kunnen heterogene katalysatoren worden onderverdeeld in metaal en zijn zouten, metaaloxiden en samengestelde metaaloxidekatalysatoren; op basis van hun vorm kunnen ze worden onderverdeeld in bolvormige, korte zuilvormige en honingraatvormen; op basis van hun voorbereidingsproces kunnen ze worden onderverdeeld in degenen die een ondersteuning gebruiken en degenen die geen ondersteuning gebruiken.
Heterogene katalysatoren in vaste- toestand voorkomen grotendeels katalysatorverlies, zijn gemakkelijker te scheiden van afvalwater en hebben voordelen zoals goede activiteit, goede stabiliteit en een kort behandelingsproces;
Er vindt echter massaoverdracht plaats tussen heterogene katalysatorfasen, en gesuspendeerde vaste stoffen in afvalwater en reactietussenproducten kunnen ervoor zorgen dat katalysatordeeltjes worden gecoat of geblokkeerd, wat tot deactivering leidt.
I. Soorten katalysatoren
(1) Metaal/ondersteunde katalysatoren
In de heterogene katalytische oxidatietechnologie worden edelmetaalkatalysatoren op grote schaal gebruikt vanwege hun hoge activiteit, lange levensduur en sterke aanpassingsvermogen. Katalysatoren gemaakt met edelmetalen zoals P, Pd en Ru als actieve componenten hebben niet alleen compatibele koolwaterstofadsorptieplaatsen, maar ook een groot aantal zuurstofadsorptieplaatsen, die snel zuurstofactivering en koolwaterstofadsorptie kunnen ondergaan naarmate de oppervlaktereactie voortschrijdt. Om een betere dispergeerbaarheid te bereiken en de hoeveelheid gebruikte metaal te verminderen, wordt vaak impregnering toegepast om metalen te ondersteunen op dragers met een hoog specifiek oppervlak, zoals Al3O2, SiO2, actieve kool, TiO2, CeO2 en ZrO2.
(2) Metaaloxide/ondersteunde katalysatoren
De keuze van katalysatoren bij katalytische oxidatieprocessen vereist overweging van talrijke factoren, zoals de eigenschappen van de oplossing, het katalytische vermogen van de katalysator en de thermische stabiliteit ervan in water. Hiervan worden metaaloxiden zeer gewaardeerd vanwege hun hoge stabiliteit en goede activiteit.
Op basis van hun stabiliteit kunnen katalysatoren als volgt worden geclassificeerd: 1. Oxiden die het meest stabiel zijn onder hoge oxidatieomstandigheden, zoals titaniumoxide, vanadiumoxide, chroomoxide, magnesiumoxide, zinkoxide en aluminiumoxide; 2. Oxiden met matige stabiliteit, zoals ijzeroxide, kobaltoxide, nikkeloxide en loodoxide; 3. Instabiele oxiden met hoge-oxidatie-toestanden en edele metalen, zoals platina, palladium, ruthenium en goud.
(3) Samengestelde oxide/ondersteunde katalysatoren
Gebaseerd op het complementaire principe van regulering van de katalytische activiteit, wordt verwacht dat samengestelde oxidekatalysatoren een hogere katalytische activiteit zullen bereiken. Synergetische effecten kunnen de katalysatoractiviteit versterken en het oplossen van actieve componenten remmen. De combinatie van CoO, CuO of NiO met oxiden van Fe(III), Pt of Ru is bijvoorbeeld een effectieve oxidatiekatalysator.
II Katalysatorselectiebasis
(1) Katalysatorselectie
Bij het selecteren van een katalysator moeten doorgaans katalysatoren met de volgende kenmerken worden gebruikt:
1. Hoge oxidatiesnelheid en beter fasecontact, waardoor de reactie wordt versneld;
2. Niet-selectief, waardoor volledige oxidatie mogelijk is;
3. Stabiele fysisch-chemische eigenschappen in hete zure oplossingen;
4. Hoge activiteit en lange levensduur bij hoge temperaturen, en ongevoelig voor gifstoffen;
5. Hoge mechanische sterkte en slijtvastheid.
(2) Selectie van katalysatorondersteuning
Op basis van de samenstelling van de katalysatordragerdeeltjes kan deze grofweg in drie typen worden verdeeld: deeltjesvormige dragers, grof-korrelige dragers en substraten.
Bij het gebruik van katalysatoren wordt doorgaans rekening gehouden met de volgende punten:
1. Chemische samenstelling en dispersie;
2. Fysisch-chemische eigenschappen van het oppervlak-porositeit, adsorptie, elektrochemische en mechanische eigenschappen;
3. Dikte en hoeveelheid actief materiaal dat kan worden geladen;
4. Specifieke sterkte en stabiliteit;
5. Chemische stabiliteit;
6. Slijtvastheid, hardheid en druksterkte;
7. Deelname aan katalytische reacties.
III Oorzaken van deactivering van de katalysator
Naast een hoge activiteit en goede selectiviteit moeten katalysatoren ook een goede mechanische sterkte en stabiliteit bezitten, waarbij stabiliteit hun vermogen om de activiteit af te breken beïnvloedt.
Na een gebruiksperiode zullen katalysatoren worden gedeactiveerd, voornamelijk als gevolg van het verlies van katalysatormateriaal en verkooksing.
Katalysatorverlies is een belangrijke oorzaak van deactivering. Dit verlies wordt voornamelijk beïnvloed door de pH, waardoor de actieve componenten oplossen. Experimentele studies hebben aangetoond dat de pH van afvalwater een aanzienlijke invloed heeft op de oxidatie van organisch materiaal in de vloeibare fase.
Heterogene ozonkatalysatoren vertonen bijvoorbeeld lage reactiesnelheden en hoge deactiveringssnelheden onder zure omstandigheden. Het katalysatorverlies is minimaal bij pH 7. Wanneer de pH hoger is dan 7 maar lager dan 9, treedt er geen katalysatorverlies op. Wanneer de pH echter groter is dan 10, blijft de reactiesnelheid laag. Daarom kan het aanpassen van de pH-waarde katalysatorverlies verminderen of voorkomen.
Verkooksing van katalysatoren is een andere belangrijke oorzaak van deactivering, ook wel bekend als deactivering van katalysatorvervuiling. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door de afzetting van koolstof, stikstof en andere stoffen die tijdens de reactie worden geproduceerd op het katalysatoroppervlak. Technische toepassingen hebben aangetoond dat sommige heterogene katalysatoren binnen een bepaald tijdsbestek hoge afbraaksnelheden vertonen, gevolgd door deactivering. Energie-foto-elektrochemische chromatografie (ESCA)-analyse van het katalysatoroppervlak onthult koolstofafzetting, die het contact tussen reactanten in de vloeibare fase en het katalysatoroppervlak belemmert, wat leidt tot deactivering.