کاتالیست ها

کاتالیست ها

کاتالیست(catalyst) ماده ای است که فعل و انفعالات شیمیايی را سرعت می بخشد بدون اينكه خودش در فعل و انفعال مصرف شود و به عبارتی ديگر کاتالیست هاترکیبات شیمايی هستند که به مقدار کم به واکنش اضافه شده و اثر تسريع دهندگی و جهت دهندگی را بر پیشرفت واکنش اعمال می کنند و در پايان بدون تغییر از واکنش خارج می شوند. عملی که کاتالیست انجام میدهد، فروکافت یا کاتالیز (catalysis) نامیده می شود.

کاتالیست انرژی فعالسازی را از طریق جایگزین نمودن یک مسیر دیگر برای انجام واکنش کاهش میدهد، با انجام این کار، عامل کاتالیستی سرعت انجام واکنش را افزایش داده تا در دمایی کمتر از واکنش غیرکاتالیزی، مسیرواکنش جلو برود.

کاتالیست ها نقشی اساسی در سیستم های بیولوژیکی و فرآیندهای صنعتی ایفا می کنند. در موجودات زنده آنزیمها (enzyme) واکنش های بیولوژیکی بی شماری را کاتالیز می کنند که باعث زنده ماندن و عملیات تولید مثل و رشد می گردد. در صنعت، کاتالیست ها برای یک آرایش گسترده از فرایندهای تولید از جمله تولید آمونیاک، سولفوریک اسید، پلیمرها و جایگزین های محصولات نفتی مورد استفاده قرارمی گیرند. تحقیقات روی کاتالیز و موارد استفاده کاتالیست ها همچنان کانون توجه بسیاری از محققان علوم تئوری و کاربردی است.

مشخصات اصلی کاتالیست ها

1- در طی واکنش، کاتالیست بدون تغییر باقی میماند و تنها سرعت واکنش را افزايش میدهد.

2- سرعت واکنش متناسب با غلظت کاتالیست است و برای واکنشهای گاز-جامد، سطح کاتالیست وسطوح فعال بسیار مهم است.

3-هنگامی که سازوکارهای متعددی برای انجام واکنش موجود باشند، کاتالیست بايستی خاصیت انتخاب پذيری داشته باشد .در اصل بايستی کاتالیست نسبت تولید ماده مطلوب را نسبت به ماده ناخواسته افزايش دهد.

4- در واکنشهای اتوکاتالیستی مقدار کمی از محصول بايستی در ابتدا وجود داشته باشد.

5-در يک واکنش برگشت پذير کاتالیست به همان نسبت که سرعت واکنش رفت را افزايش میدهد، بر سرعت واکنش برگشت هم مؤثر است. بنابراين ترکیبی درصد تعادلی سیستم چه در حضور کاتالیست و چه بدون آن يكسان است.

کاتالیست می تواند جامد، مایع یا گازی باشد. برخی از کاتالیزورهای جامد شامل فلزات یا اکسیدهای آنها از جمله سولفیدها و هالیدها هستند. از عناصر نیمه فلزی مانند بور، آلومینیوم و سیلیسیم نیز به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. به همین ترتیب، عناصر مایع و گازی که به صورت خالص هستند به عنوان کاتالیزور استفاده می شوند.  گاهی اوقات، از این عناصر به همراه حلال ها یا حامل های مناسب نیز استفاده می شود. واكنش هایی كه شامل يك كاتاليزور در سيستم خود می باشد به عنوان واكنشهای كاتاليزوری شناخته می شوند.

دسته بندی کاتالیست ها

انواع مختلفی از کاتالیزورها وجود دارد که می توانند در واکنش شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند. این کاتالیزورها عبارتند از:

1. 1. پروموتر یا شتاب دهنده ها

ماده ای که فعالیت کاتالیزور را افزایش می دهد به عنوان پروموتر یا تسریع کننده شناخته می شوند.

مثال: در فرآیند هابر مخلوطی از اکسیدهای پتاسیم و آلومینیوم یا مولیبدن به عنوان پروموتر عمل می کنند.

2. سموم یا بازدارنده های کاتالیست

موادی که فعالیت کاتالیزور را کاهش می دهند به عنوان سموم یا مهارکننده های کاتالیزور شناخته می شوند.

بطور مثال در هیدروژناسیون آلکین به یک آلکن، کاتالیزور پالادیوم با سولفات باریم در محلول کینولون مسموم میشود و واکنش در سطح آلکن متوقف می شود. این کاتالیزور به کاتالیزور Lindler معروف است.

 

انواع کاتالیست

بر اساس طبیعت و وضعیت فیزیکی ماده ای که در واکنش شیمیایی استفاده می شود، کاتالیزورها به چهار نوع تقسیم می شوند:

1. کاتالیست همگن

در واکنشی که کاتالیزور استفاده شده در واکنش و واکنش دهنده ها در یک حالت مشابه از ماده هستند، از این فرآیند به عنوان کاتالیزور همگن یاد می شود. در این فرآیند واکنش دهنده ها و کاتالیزورهای همگن در یک فاز عمل می کنند.

معمولاً کاتالیزورهای همگن با سوبستراها در یک حلال حل می شوند. اثر+H در استری شدن کربوکسیلیک اسیدها، مانند تشکیل متیل استات از اسید استیک و متانول، یکی از نمونه های کاتالیز همگن است. هیدروفورمیلاسیون، هیدروسیلیلاسیون، هیدروسیاناسیون شامل فرآیندهای با حجم بالا و نیازمند کاتالیزور همگن هستند. بسیاری از کاتالیزورهای همگن فلزی نیستند، همانطور که با استفاده از نمک های کبالت اکسیداسیون     -pزایلن به اسید ترفتالیک کاتالیز می شود.

در حالی که در مطالعه کاتالیسیت ها  فلزات انتقالی توجه زیادی را به خود جلب می کنند، مولکولهای آلی کوچک بدون فلزات نیز ممکن است خواص کاتالیزوری از خود نشان دهند و عدم وجود فلزات انتقالی نیز در بسیاری از آنزیم ها مشهود است.

مثال: هیدرولیز استات اتیل در حضور اسید رقیق.

اتیل استات مایعی است که شامل یک گروه عملکردی استر است. این ماده در حضور اسید سولفوریک رقیق برای تولید الکل اتیل و اسید استیک  با آب واکنش می دهد. در این فرآیند واکنش دهنده و کاتالیزور در یک فاز هستند.

CH۳​COOC۲​H۵​+H۲​OCl⟶ CH۳​COOHCl+C۲​H۵​OHCl

2. کاتالیست ناهمگن

در این نوع کاتالیزور مواد واکنش دهنده در یک واکنش و کاتالیزور در حالت ماده یا فاز یکسان قرار ندارند.

کاتالیزور ناهمگن شامل جذب و همچنین تشکیل یک ترکیب واسطه است. مولکول واکنش دهنده در مرکز فعال سازی سطح کاتالیزور جذب می شود. این ترکیبات برای ایجاد یک کمپلکس فعال شده که یک ترکیب واسطه است، با هم واکنش می دهند. این ترکیب برای تولید محصولات تجزیه می شود.

بنابراین کاتالیزور ناهمگن شامل جذب اولیه واکنش دهنده ها در سطح کاتالیزور، تشکیل ترکیب واسطه و جدا شدن در یک محصول است.

مثال1: تولید اسید سولفوریک از طریق فرآیند تماسی

در این فرآیند، اکسیداسیون دی اکسید گوگرد یک گام اصلی است. در واکنش اکسیداسیون، دی اکسید گوگرد یک گاز و اکسیژن یک گاز دیگر است، در حالی که پنتا اکسید وانادیوم یک کاتالیزور جامد است. در این فرآیند، واکنش دهنده ها و کاتالیزورها در حالت های مختلف ماده قرار دارند.

مثال2: تهیه آمونیاک توسط فرآیند هابر

گازهای نیتروژن و هیدروژن خالص و خشک به نسبت ۱: ۳ از طریق یک کمپرسور منتقل می شود که در آن فشار بالایی از ۳۰ تا ۲۰۰ اتمسفر حفظ می شود. در این فرآیند از اکسید آهن به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. این اکسید یک جامد است که در فرآیندی به کار می رود که واکنش دهنده ها در حالت گازی هستند. ازت (g) با هیدروژن (g) واکنش داده و آمونیاک (g) را تشکیل می دهد. بنابراین اکسید آهن یک کاتالیزور ناهمگن است.

3. کاتالیست‌ زیستی

کاتالیزورهای زیستی آنزیم‌هایی هستند که واکنش‌های بیوشیمیایی بدن را کاتالیز می کنند. اکثر آنزیم‌ها ساختار پروتئینی دارند و بر اساس واکنشی که کاتالیز می کنند نام های مختلفی دارند.

4. کاتالیست خودکار

در واکنش اتوکاتالیستی هیچ کاتالیزور خاصی به واکنش اضافه نمی شود. در عوض، یکی از محصولات به عنوان کاتالیزور عمل می کند و سرعت تشکیل محصولات را افزایش می دهد.

مثال: اکسیداسیون اسید اگزالیک توسط  KMnO₄

هنگامی که پرمنگنات به محلول اسیدی اضافه می شود، اکسیداسیون یون های اگزالات (یا اسید اگزالیک) رخ میدهد. این واکنش منجر به تشکیل یونهای Mn⁺² می شود و واکنش را به صورت خودکار کاتالیز می کند. سرعت واکنش بین پرمنگنات پتاسیم و محلول اسید اگزالات در ابتدا کند است. یونهای Mn⁺² که در طی واکنش ایجاد می شوند، به افزایش سرعت واکنش کمک می کنند.

⁕کاتالیست ها افزودنی های مورد استفاده در صنعت پلی یورتان

کاتالیست های مربوط به فوم های پلیمری بر پایه ایزوسیانات شامل کاتالیزور فرآیند ژل شدن، کاتالیزور فوم شدن، کاتالیزورهای سیکلوتریمریزاسیون و غیره می شوند. کاتالیست های فلزی اساساَ واکنش های ایزوسیانات-هیدروکسیل را تسریع می کنند و تحت عنوان “کاتالیزورهای ژل شدن” معروف هستند. در مقابل، کاتالیزورهای آمین نوع سوم به طور عمده واکنش آب-ایزوسیانات را شتاب می بخشند که منجر به تولید CO₂ می گردند و به آنها “کاتالیزورهای دمندگی” گفته می شود.

⁕آشنایی با کاتالیست های پلی اورتان

تجزیه و تحلیل کاتالیست های با تاخیر پلی اورتان

کاتالیست با تاخیر پلی اورتان یک کاتالیزور بسیار ویژه پلی اورتان است. این نوع کاتالیزور می تواند فعالیت کاتالیستی مورد نیاز برای درمان پلی اورتان را فراهم کند، در عین حال، می تواند عمر مفید محصولات را افزایش داده و عمر بیشتری را برای ساخت و ساز فراهم سازد. برخلاف مهارکننده ها، کاتالیستهای تاخیری پلی یورتان نسبت به تاخیرهای مطلق نسبتا تاخیر دارند.

آنها فعالیت پایینی دارند و فعالیت کلی نسبت به کاتالیست های معمولی قابل مقایسه است و تأثیر واکنش های تاخیری در سیستم هایی بدون کاتالیست ندارند. بسته به کاربرد، کاتالیستهای تاخیری را به دو دسته تقسیم       می کنیم: اول کاتالیستهای تاخیری برای فوم؛ دوم کاتالیست های تاخیری برای  CASE پوشش های پلی اورتان، سیلنت های پلی اورتان، چسب های پلی اورتان و الاستومرهای پلی اورتان

1. کاتالیست تاخیری برای فوم

فوم های پلی اورتان شامل فوم های سفت و سخت پلی اورتان، فوم نرم، فوم نیمه سخت و محصولات خود پوستی است. واکنش های اصلی شامل واکنش های فوم، واکنش های ژل و واکنش های ترموری شدن است. بنابراین، کاتالیزورهای معمولی که برای پلی اورتان استفاده می شود به طور عمده به کاتالیستهای فوم افتاده، کاتالیستهای ژلینگ تاخیر داده شده تقسیم می شوند.

کاتالیستهای ژل با تاخیر بیشتر شامل DY-8154(محلول تری اتیلدینامین اصلاح شده) و DY-300    می باشد. به طور خاص،DY-8154  به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد و به طور گسترده ای در زمینه هایی مانند فوم سخت، فوم نرم، فوم نیمه سخت و پوسته پوسته استفاده می شود و می توان آن را در برخی فرمولهای الاستومر میکروسلولی مشاهده کرد.

کاتالیس فوم افتتاح شده معمولا به طور عمده DY-225  است که یک محلول دیول اصلاح شده بیس (دی متیل آمین اتیل) اتر است که می تواند زمان شیردهی را تاخیر دهد و میزان پیری شتاب دهنده قبل از آن را افزایش دهد.

کاتالیست های تاخیری جدید که متفاوت از کاتالیزورهای معمول در بازار هستند، نوعی کاتالیست تاخیری هستند که به طور خاص توسعه یافته اند. محصول اصلی DY-215 است، با ویژگیهای راندمان پایین فوم، کاتالیست های تاخیری و اثر ژل قوی، می تواند سیالیت اولیه را فراهم کرده و پس از خمیر شدن را تسریع کرده و سرعت بخشیدن به تخریب را افزایش دهد. این کاتالیستها را می توان با اکثر کاتالیزورها استفاده کرد. این کاتالیستها می توانند به عنوان یک جایگزین برای قلع آلی در برخی فرمولها استفاده شود تا سیالیت اولیه را بدون تأثیر بر بلوغ بعدی افزایش دهد.

۲– کاتالیست های پلی اورتان عقب افتاده CASE

در مقایسه با کاتالیستهای فوم، کاتالیستهای مورد نیاز CASE با سرعت زلزله سریع، میکرو فوم و حتی فوم مشخص می شوند. کاتالیستهای معمول شامل DY-12 (dibutyltin dilaurate) و DY-20 ، استنت فنتانیک و غیره. بنابراین، کاتالیست تاخیری CASE لازم است که همان کاتالیستی را به عنوان قلع و دیگر کاتالیستها داشته باشد و برای رسیدن به تأثیر جیوه در کارایی فوم، دشوار است و اثر دیوایستیلین دیلاتورت باید تا حد ممکن نزدیک باشد. در عین حال، کاربرد CASE متفاوت از تولید فوم است.

مواد خام و فرایندهای مورد استفاده پیچیده هستند، انتخاب پلی استر، ایزوسیانات مختلف، درجه حرارت و       دنباله ای از مراحل سنتز نتایج مختلفی به ارمغان می آورد. بنابراین، انتخاب محصولات CASE برای کاتالیستهای تاخیری را نمی توان تعمیم داد و باید بر اساس بسیاری از عوامل تعیین شود.

⁕برای تولیدات پیوسته اسفنج نیازمند استفاده از کاتالیزورها هستیم. دو واکنش عمده در هنگام تشکیل فوم صورت می گیرد. این دو واکنش عبارتند از :

• واکنش ژلینگ (یا پلیمریزاسیون)

• واکنش دمیدن (یا تولید گاز)

در واکنش ژلینگ (پلیمریزاسیون): از ترکیب ایزوسیانات­ با پلی ال­ ها، پلی یورتان تشکیل می شود. همچنین در واکنش دمیدن (تولید گاز)، از ترکیب ایزوسیانات با آب، پلی یورتان و دی اکسید کربن تولید می­ شود.

کاتالیست قلع ((Tin) (یا اصطلاحا کاسموس)

معمولاً ترکیبات قلع (II) به عنوان کاتالیزور در تولید پیوسته اسفنج انتخاب می­ شوند. این ترکیب واکنش ژل را به شدت کاتالیز می­ کند. اگر پلیمر نتواند واکنش پلیمریزاسیون را به درستی انجام دهد، این کاتالیزور موجب شکاف فوم یا احتمالاً فروپاشی می­ شود.

کاتالیست آمین(33lv، دابکو)

آمین­ ها در درجه اول واکنش بین آب و ایزوسیانات را کاتالیست می­ کنند، با این وجود اغلب به عنوان کاتالیست “دمنده” خوانده می شوند. آنها فعالیت­ های مختلفی در ارتقاء واکنش بین پلی ال و ایزوسیانات (واکنش ژلینگ) دارند. ترکیبی از آمین­ های مختلف برای متعادل کردن واکنش­ های ژل و دمیدن به کار برده می­ شود تا بتوانند فرآیند فوم را به طور کافی کنترل کنند. کاتالیستهای جدید برای رفع نگرانی­ های زیست محیطی صنعت در مورد نوسانات آمین ­ها ساخته شده اند.

هدف از استفاده از کاتالیستهای پلی یورتان چیست

کاتالیستهای مورد استفاده در فرایند سنتز پلی یورتان می توانند تقریبا به کاتالیستهای آمین های ترتیبی، ترکیبات ارگوتین، ترکیبات فلزات غیر قلع و دیگر کاتالیستهای جدید تقسیم شوند.

معمولا ما از هدف کاتالیست استفاده می کنیم، دو هدف اصلی دارد: 1) اجازه دهید واکنش در مسیری که انتظار داریم انجام شود؛ 2) سرعت واکنش را تنظیم کنید، زمان واکنش را کوتاه کنید، کارایی تولید را افزایش دهید.

ویژگی های مختلف کاتالیست ها

کاتالیستهای آمین کاتالیزور خوبی برای واکنش NCO و آب هستند؛ قلع آلی و جیوه آلی دارای selectivity بالا برای واکنش NCO و OH هستند و به واکنش های آب و NCO حساس نیستند. بعضی کاتالیست های جدید مانند کاتالیزورهای حساس به دما، درجه حرارت متفاوت دارند. بازده کاتالیستی به طور گسترده ای در برخی محصولات پلی اورتان دو جزء مورد استفاده قرار می گیرد.

 اصول انتخاب کاتالیستها برای محصولات مختلف پلی اورتان

محصولات پلی یورتان را می توان تقریبا به فوم ها، الاستومرها و رزین های پلی یورتان طبقه بندی کرد.

محصولات پلی یورتان فوم عمدتا از پلی اترها، ایزوسیانات ها، عوامل فوم، کاتالیستها و غیره سنتز می شوند. فرآیند اصلی تشکیل فوم به طور کلی به شرح زیر است: 1. روش های فیزیکی و شیمیایی برای تولید فوم در سیستم واکنش پلی یورتان استفاده می شود و فوم به طور مساوی در سیستم واکنش پراکنده می شود.  روش فوم اصلی استفاده از آب و ایزوسیانات برای تولید دی اکسید کربن است. 2.  فرآيند توليد فوم نيازمند افزايش غلظت سيستم واکنشي است چون فوم از فرار شدن تثبيت مي شود. 3.  هنگامی که تشکیل فوم به تعداد و اندازه مورد نیاز برسد، ویسکوزیته سیستم واکنش باید به طور مداوم افزایش یابد یا یک سیستم اسکرولینگ تشکیل شود تا فوم را تثبیت کند و محصول را شکل دهد.در این مورد، ما نیاز به حداقل دو نوع کاتالیست برای تنظیم پیشرفت واکنش دارد. یک نوع کاتالیزور این است که واکنش ایزوسیانات و آب را ارتقاء دهد، یعنی ارتقاء واکنش فوم.  به طور معمول، کاتالیست آمین انتخاب شده است؛ دیگر لازم است برای ارتقاء واکنش ایزوسیانات ها با پلی اترها یا الکل ها، یعنی رشد زنجیرهای پلی اورتان و واکنش های متقاطع، کاتالیستهای فلزی به طور کلی استفاده می شود.

بنابراین، در فرایند سنتز پلی یورتان فوم، ما به طور کلی از کاتالیست های آمین و کاتالیستهای فلزات متالیک استفاده می کنیم تا اثرات هم افزایی ایجاد کنیم تا بهترین نتایج را به دست آوریم. انواع و نسبت کاتالیستهای آمین خاص و کاتالیستهای فلزات آلی باید به صورت آزمایشی یا تجربی با توجه به محصولات مختلف تنظیم شود، و در اینجا هیچ اظهارنامه ای انجام نخواهد شد.