גורמים לבחירה והשבתה של זרזים הטרוגניים

בהתבסס על הרכיבים הפעילים השונים, ניתן לחלק זרזים הטרוגניים למתכת ולמלחיה, תחמוצות מתכת וזרזי תחמוצת מתכת מרוכבים; על סמך צורתם, ניתן לחלקם לצורות כדוריות, עמודות קצרות וחלת דבש; בהתבסס על תהליך ההכנה שלהם, ניתן לחלק אותם לאלו המשתמשים בתמיכת ואלה שאינם משתמשים בתמיכת.

זרזים הטרוגניים במצב מוצק- מונעים במידה רבה אובדן זרזים, קל יותר להפרידם ממי שפכים, ויש להם יתרונות כמו פעילות טובה, יציבות טובה ותהליך טיפול קצר;

עם זאת, ישנה העברת מסה בין שלבי זרז הטרוגניים, ומוצקים מרחפים בשפכים ותוצרי ביניים לתגובה עלולים לגרום לציפוי או לחסימה של חלקיקי זרז, מה שיוביל לנטרול.

(1) מתכת/זרזים נתמכים

בטכנולוגיית חמצון קטליטי הטרוגני, נעשה שימוש נרחב בזרזי מתכת אצילה בשל פעילותם הגבוהה, תוחלת החיים הארוכה ויכולת ההסתגלות החזקה שלהם. לזרזים המיוצרים עם מתכות אצילות כגון P, Pd ו-Ru כרכיבים פעילים יש לא רק אתרי ספיחת פחמימנים תואמים אלא גם מספר רב של אתרי ספיחת חמצן, שיכולים לעבור במהירות הפעלת חמצן וספיחת פחמימנים ככל שתגובת פני השטח מתמשכת. כדי להשיג פיזור טוב יותר ולהפחית את כמות המתכת בשימוש, הספגה משמשת לעתים קרובות כדי לתמוך במתכות על נשאים בעלי שטחי פנים ספציפיים גבוהים, כגון Al3O2, SiO2, פחם פעיל, TiO2, CeO2 ו-ZrO2.

(2) תחמוצת מתכת/זרזים נתמכים

בחירת הזרזים בתהליכי חמצון קטליטי דורשת התחשבות בגורמים רבים, כגון תכונות התמיסה, הקיבולת הקטליטית של הזרז ויציבותו התרמית במים. בין אלה, תחמוצות מתכות זוכות להערכה רבה בשל יציבותן הגבוהה ופעילותן הטובה.

בהתבסס על יציבותם, ניתן לסווג זרזים באופן הבא: 1. תחמוצות היציבות ביותר בתנאי חמצון גבוהים, כגון תחמוצת טיטניום, תחמוצת ונדיום, תחמוצת כרום, תחמוצת מגנזיום, תחמוצת אבץ ותחמוצת אלומיניום; 2. תחמוצות בעלות יציבות מתונה, כגון תחמוצת ברזל, תחמוצת קובלט, תחמוצת ניקל ותחמוצת עופרת; 3. תחמוצות במצב-חמצון-לא יציבים ומתכות אצילות, כגון פלטינה, פלדיום, רותניום וזהב.

(3) תחמוצת מרוכבת/זרזים נתמכים

בהתבסס על העיקרון המשלים של ויסות פעילות קטליטית, זרזי תחמוצת מרוכבים צפויים להשיג פעילות קטליטית גבוהה יותר. השפעות סינרגיות יכולות לשפר את פעילות הזרז ולעכב את המסת הרכיבים הפעילים. לדוגמה, השילוב של CoO, CuO או NiO עם תחמוצות של Fe(III), Pt או Ru הוא זרז חמצון יעיל.

(1) בחירת זרז

בעת בחירת זרז, בדרך כלל יש להשתמש בזרזים בעלי המאפיינים הבאים:

1. קצב חמצון מהיר ומגע פאזה טוב יותר, ובכך להאיץ את התגובה;

2. לא-סלקטיבי, המאפשר חמצון מלא;

3. תכונות פיסיקוכימיות יציבות בתמיסות חומציות חמות;

4. פעילות גבוהה ותוחלת חיים ארוכה בטמפרטורות גבוהות, וחוסר רגישות לרעלים;

5. חוזק מכני גבוה ועמידות בפני שחיקה.

(2) בחירת תמיכת זרז

בהתבסס על ההרכב של חלקיקי תמיכת הזרז, ניתן לחלק אותו באופן גס לשלושה סוגים: תומכים חלקיקים, תומכים גסים-תומכים ומצעים.

בעת שימוש בזרזים, הנקודות הבאות נחשבות בדרך כלל:

1. הרכב כימי ופיזור;

2. תכונות פיסיקוכימיות של פני השטח-נקבוביות, ספיחה, תכונות אלקטרוכימיות ומכאניות;

3. עובי וכמות של חומר פעיל שניתן לטעון;

4. חוזק ויציבות ספציפיים;

5. יציבות כימית;

6. עמידות בפני שחיקה, קשיות וחוזק לחיצה;

7. השתתפות בתגובות קטליטיות.

בנוסף לפעילות גבוהה וסלקטיביות טובה, על זרזים להיות בעלי חוזק ויציבות מכאניים טובים, כאשר יציבות משפיעה על יכולתם לגרוע פעילות.

לאחר פרק זמן של שימוש, זרזים יחוו נטרול, בעיקר עקב אובדן חומר הזרז וקוקס.

אובדן זרז הוא הגורם העיקרי לנטרול. אובדן זה מושפע בעיקר מ-pH, מה שגורם לרכיבים הפעילים להתמוסס. מחקרים ניסיוניים הראו כי ל-pH של מי שפכים יש השפעה משמעותית על חמצון החומר האורגני בשלב הנוזל.

לדוגמה, זרזי אוזון הטרוגניים מציגים שיעורי תגובה נמוכים ושיעורי נטרול גבוהים בתנאים חומציים. אובדן הזרז הוא מינימלי ב-pH 7. כאשר ה-pH גדול מ-7 אך פחות מ-9, לא מתרחש אובדן זרז. עם זאת, כאשר ה-pH גדול מ-10, קצב התגובה נשאר נמוך. לכן, התאמת ערך ה-pH יכולה להפחית או למנוע אובדן זרז.

קוקוס קטליזטור הוא גורם עיקרי נוסף לנטרול, הידוע גם בשם נטרול זיהום זרז. זה נגרם בעיקר על ידי שקיעת פחמן, חנקן וחומרים אחרים המיוצרים במהלך התגובה על פני הזרז. יישומים הנדסיים אימתו שחלק מהזרזים הטרוגניים מציגים שיעורי פירוק גבוהים בתוך מסגרת זמן מסוימת, ולאחר מכן נטרול. ניתוח כרומטוגרפיה פוטואלקטרוכימית אנרגטית (ESCA) של משטח הזרז מגלה שקיעת פחמן, אשר מעכבת את המגע בין המגיבים בשלב הנוזל לבין פני הזרז, ובכך מובילה לנטרול.