近年來,由于氣相色譜技術(shù)的發(fā)展,被廣泛地用于復(fù)相催化的研究,一方面的研究是探討復(fù)相催化劑表面、結(jié)構(gòu)的特征。另一方面是對復(fù)相催化反應(yīng)本身進(jìn)行研究。我們主要討論后一方面的工作。而這方面工作又可以分為兩類、一類是色譜方法分析微型催化反應(yīng)體系的反應(yīng)產(chǎn)物,從而對催化劑的活性、反應(yīng)動力學(xué)與反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究、這類工作常稱為微型催化色譜技術(shù),另一類是將催化劑填充到色譜柱中,色譜柱同時擔(dān)負(fù)催化反應(yīng)與色譜分離的雙重作用,從而對催化反應(yīng)進(jìn)行研究,這類工作可稱為色譜催化。本文將對微型催化色譜技術(shù)進(jìn)行簡略地探討。
利用微型催化色譜技術(shù)研究催化反應(yīng)具有微量、快速、自動化或半自動化的優(yōu)點(diǎn)。微型催化色譜技術(shù)又可分為兩類,一類可稱為脈沖流動技術(shù),另一類可稱為穩(wěn)態(tài)流動技術(shù)、微型催化色譜既可以作一般催化劑活性測定的評選工作,也可以作其一系列催化動力學(xué)的數(shù)據(jù)測定,進(jìn)而究其反應(yīng)機(jī)理。
微型催化色譜的脈沖技術(shù),其框圖可如圖146所示,此法以流速恒定的載氣通過催化劑床層(微型反應(yīng)器),反應(yīng)物以脈沖方式進(jìn)料,產(chǎn)物由載氣帶入色譜儀進(jìn)行分析。由于脈沖進(jìn)料催化劑表面是純凈的,故如此測得的是催化劑的初活性而非穩(wěn)定態(tài)活性,由色譜儀分析可測定反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率與產(chǎn)物的產(chǎn)率,改變載氣的流速可以測定反應(yīng)速率方程與反應(yīng)速率常數(shù),由不同反應(yīng)溫度下的測定可以求得活化能與指數(shù)前因子等動力學(xué)數(shù)據(jù)。此法設(shè)備簡單易行。但在反應(yīng)物被強(qiáng)吸附的情況下會出現(xiàn)產(chǎn)物色譜峰嚴(yán)重拖尾的現(xiàn)象,而造成困難。
為克服反應(yīng)物被強(qiáng)吸附情況下造成的困難、可采用微型催化色譜的穩(wěn)流技術(shù)。其框圖如圖147所示。反應(yīng)氣連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)器,尾氣進(jìn)行搜集或排空,每隔一定時間,用載氣將反應(yīng)器出口的物料帶入色譜儀進(jìn)行分析。如此也可以進(jìn)行催化劑活性與反應(yīng)動力學(xué)的研究,此法對于反應(yīng)物被強(qiáng)吸附的情況也可應(yīng)用,例如可用收集器收集產(chǎn)物進(jìn)行分析。此法的缺點(diǎn)是設(shè)備比較復(fù)雜,操作也比較庥煩。
為克服上述不足,針對反應(yīng)物被強(qiáng)吸附的特殊情況,最近提出了一種微型催化色譜的斷流技術(shù)。此法的框圖基本上與脈沖技術(shù)相同(圖146)其區(qū)別只在于操作方法不同。今以乙醇催化脫水生成乙烯的反應(yīng)為例。乙醇在氧化鋁催化劑上是強(qiáng)吸附的,脈沖進(jìn)料,得到乙烯的長拖尾峰的色譜圖,如圖148所示。如進(jìn)料一定時間t以后,進(jìn)行斷流操作,停止通入載氣以一短暫的時間間隔△t可以出現(xiàn)一尖削的斷流峰,如圖149所示。
因?yàn)橐掖济撍疄橐患壏磻?yīng),其反應(yīng)速率:r=-da/dt=ka。其中a表示乙醇的濃度,其反應(yīng)動力學(xué)方程為:a=a0e-kt。將此式代入前面公式并取對數(shù)得:
㏑r=㏑(ka0-kt)
在斷流操作下出現(xiàn)斷流峰,其半峰寬相同,斷流時間間隔△t相同,因而斷流時間間隔內(nèi)產(chǎn)物積累量及此時間間隔的平均反應(yīng)速率r均與斷流峰高h(yuǎn)成正比。因此,由上式合并常數(shù)項(xiàng)后可得:
㏑h=b-kt/2.303
其中b為與時間t無關(guān)的常數(shù),故如以lgh對t作圖可得直線,如圖150所示為不同溫度下的結(jié)果。由直線斜率可求得不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)k,進(jìn)而可求反應(yīng)的活化能。