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不能没有你----工业生产与催化剂

来源:未知作者:徐俊龙 点击:所属专题: 化工条件控制 催化剂
没有催化剂就没有现代化的工业,这是许多有识之士的共同观点。如果没有催化剂,大量的化学反应就不可能达到理想的速度,因而也无法实现大规模的化工生产。所以说,催化剂是随着现代化学工业的发展而产生的,而同时,催化技术的发展也推动了现代化学的发展。 工业生产中

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没有催化剂就没有现代化的工业,这是许多有识之士的共同观点。如果没有催化剂,大量的化学反应就不可能达到理想的速度,因而也无法实现大规模的化工生产。所以说,催化剂是随着现代化学工业的发展而产生的,而同时,催化技术的发展也推动了现代化学的发展。

工业生产中,催化剂是提高化学反应速度、控制化学反应方向的最为有效的手段之一。对于一个有用的化学反应,是否能实现工业生产,必须要考虑产率问题和速度问题。产率关心的是反应能进行到什么样的程度。而速度衡量的是化学反应进行的快慢,即反应达到合适的产率需要多长的时间。设想,如果一个化学反应在工业上达到适合的产率需要花很长的时间,那么这个反应是否具有工业生产价值就存在疑问,因为工业生产是要讲求效率的。在工厂、设备规模限定的前提下,提高产量最有效的途径,就是在单位时间内获得更多的产物,也就是增大化学反应的速度。而这,恰恰是催化剂所擅长的。

工业生产中催化剂的选择

在许多工业生产中,催化剂作为一种必不可少的原料,是生产最重要的条件之一。这就意味着,要获得较高的生产效率,必须选择与生产相适应的催化剂。实际工业生产中,对于催化剂的选择是一门重要的学问。或许你会说,这有什么难的,选择催化剂不就应该选择催化效率最高的吗?是的,不可否认,催化效率是选择催化剂要考虑的重要因素,但不是惟一因素,光有高的催化效率是不够的,有时候太高的催化效率反而会影响生产效率。你一定感到糊涂了吧,没关系,看下去你就会明白的。

根据经验,一个好的工业催化剂应该同时具备适宜的催化效率、较高的选择性和较长的使用寿命。

首先是催化效率。通常,为了提高工业生产的效率,应该选择使用催化效率更高的催化剂,但这并不是绝对的。比如,对于某些热效应较大(即反应过程中会释放较多的热量)的化学反应,如前面述及的二氧化硫的氧化反应,催化剂的催化效率如果过高的话,反应会在单位时间内放出大量的热量。如果这些热量不能及时、有效地从反应容器中被排走,则会导致反应容器中的温度急剧升高。温度的升高不仅会影响反应的产率,而且过高的温度会破坏催化剂的最适宜的温度条件,引起催化剂的烧结,从而丧失催化功能。所以,“过犹不及”同样适用于催化工业生产。

其次是催化剂的选择性。催化剂如果具有较高的选择性,则可以选择性地催化工业生产所需的主反应,而大大减少副反应的发生和副产物的生成。这不仅可以增大原料的利用率,而且可以简化反应后产物的净化、提纯处理等流程,节约成本。设想一下,如果一种催化剂对主反应具有很高的催化效率,但这个催化剂“不分敌我”,对于各个副反应也同样具有很高的催化效率,甚至催化效率比主反应还要高,那么这个催化剂的高效率只能是“帮倒忙”,不具有现实意义。

你一定熟悉拳王阿里吧。1996年亚特兰大奥运会开幕式上,拳王阿里用颤抖的手点燃火炬的一幕令人动容。曾经在拳台上天下无敌的阿里患有帕金森氏症。有一种称为多巴的药物,能有效地治疗帕金森氏症。但多巴存在两种结构,一种称之为左旋分子,对治疗帕金森氏症具有疗效;另一种是右旋分子,没有治疗效果。由于这两种分子的组成完全一样,只是在结构上存在细微的差别(化学上称这两种物质为对映异构体),因此用常规的手段很难分离开。要分离这两种物质,必须用成本极高的分离手段。1974年,美国孟山都公司开发出了具有很高的选择性的催化剂,能在合成反应中选择性地催化左旋多巴的生成反应,使得产物几乎不含右旋多巴,这一成果使左旋多巴成为治疗帕金森氏症的首选药物,时至今日,左旋多巴仍“活跃”在治疗帕金森氏症这一“战线”,造福了无数患者。这一革新的例子,可以说是化学生产中利用催化剂的选择性的经典之作。而当时供职于孟山都公司、对这一合成反应居功至伟的威廉•诺尔斯,也终于因这一研究而获得2001年诺贝尔化学奖。当时他已经84岁了,诺贝尔化学奖对他而言或许是个迟到的荣誉,但也确是名至实归。

第三是催化剂的寿命,也就是催化剂的稳定性。催化剂虽然不是反应物,不会随着反应的进行而被消耗掉。但由于实际工业生产环境的影响,如高温、反应物中存在杂质等,都可能导致催化剂中毒、烧结、积炭等现象出现,而令催化剂的催化能力减弱或失去,这种现象叫做催化剂的失活。

催化剂失活后,为了恢复催化剂的催化效率,就必须对催化剂进行处理以恢复催化活性(即催化剂的再生),或者更换新的催化剂。但无论哪种办法,都会造成生产的停顿,导致生产效率的下降。而对于一些要连续性工作的大型生产装置,停工更换催化剂,造成的损失是难以弥补的。这就要求工业生产中的催化剂,尤其是连续生产装置中使用的催化剂,应该具有较好的“免疫力”,有优良的稳定性,具备较长的使用寿命。如果某种催化剂具有较高的催化效率,而且选择性也很高,但就是太过“娇贵”,好似“温室里的花朵”,经受不起工业生产的“恶劣条件”,动不动就要“罢工”——失活,那么,这种催化剂也不具备应用于工业生产的价值。

在现代石油炼制及石油化工中,催化剂的耗费占了生产成本中很大一部分。有很多催化剂价格很高,尤其部分以铂、钯等贵金属为原料的催化剂则更加昂贵。所以,催化剂的稳定性和使用寿命对于降低成本、提高生产效率具有重要的意义。当然,即使再耐用、稳定的催化剂,在反应中也有可能发生极其微小的催化能力的改变,经过长时间的运转而累积起来,最终也会造成催化能力下降乃至失活。所以,如果我们一定要开发出“永不磨损”、“一颗永流传”的催化剂,实现“一劳永逸”,显然也是不现实的。

其他诸如价格等,也是选择工业催化剂时必须考虑的因素,这里不再赘述。当然,很多时候由于受实际条件的限制,要寻找到一种“十全十美、面面俱到”的催化剂是很难的。“又要马儿跑,又要马儿不吃草”,虽然这是追求的目标,但在工业生产上往往可遇而不可求。而这时,就应该综合考虑整个工业生产过程,把握住关键的方面,在某些方面作出牺牲。

工业催化剂的选择和开发是一项技术性很强的工作,一种催化剂要能够真正投入生产应用,必须经过大量的试验,综合各方面的情况加以评价。随着技术的不断进步,每年都会有许多新的催化剂被研制开发出来,应用到实际生产中,替代老的催化剂。在工业催化剂的选择上,没有最好,只有更好,从这个意义上说,工业催化剂的更新换代是永无止境的。

餐桌上的催化:人造奶油与油脂氢化

你一定吃过很多种奶油制品吧,奶油的那种自然、香浓、让人垂涎三尺的美味一定令你回味悠长。奶油,又常称为白脱、黄油,是一种大家都喜欢的食品。顾名思义,奶油是从牛奶中提取出来的,其中大部分是油脂,还含有水分、乳糖、蛋白质、矿物质、维生素等等。虽然现在很多人对奶油敬而远之,但你是否知道,在历史上,享用奶油曾经只能是贵族的特权,而且一度人们还为吃不到奶油而犯愁!

早在公元前3000多年,人们就已掌握了奶油的制作方法:将牛奶放置在桶里,一段时间后,牛奶表面就会产生一层奶皮;把奶皮捞出来装在一个口袋里,经过反复的拍打和搓揉,就能制得奶油。当然,这种方法既费时费力,奶油的产出量也少。随着奶油制造工艺的不断进步,奶油的产量越来越大,品质也越来越好。奶油逐步成为人们厨房中、餐桌上的必备品。

但是,不管奶油的制造工艺如何改进,其原料——牛奶都是必不可少的。这就引发了一个问题,一旦牛奶的产量受影响,奶油的生产也就不可避免地受到影响。这不是杞人忧天,事实上,历史上因为这个原因导致的“奶油”荒曾多次发生。正如很多其他物品一样,拥有时并不珍惜,一旦失去就能感受到它的价值。为此,科学家们曾花大力气研究生产奶油的其他方法,以减少奶油生产对于牛奶的依赖性。当然,这还得从奶油本身说起。

说起奶油的主要成分——油脂,我们并不陌生,它是人体必需的一种营养素。在我们的日常生活中,富含油脂的东西并不少。牛油、猪油等动物中含有的油脂通常是固态的,人们也把它称为脂肪;而从大豆、花生、葵花籽等富含油脂的植物及其果实中也能提取出液态的油脂,人们把它称为油。其实,油脂也就是呈固态的脂肪和呈液态的油的统称。

在牛油、猪油、奶油等固体动物油脂中,含有较多的饱和脂肪酸酯类。饱和脂肪酸酯是饱和脂肪酸形成的酯,也就是说,其分子中不含有碳碳双键,其含氢的原子数达到最多(即饱和)。相反地,大豆油、花生油等液体植物油脂,含有较多的不饱和脂肪酸酯类。不饱和脂肪酸酯意味着分子中含有一定数量的碳碳双键,其氢原子数还没有饱和。分子中氢原子数有没有达到饱和,是导致了动物油脂呈固态而植物油脂呈液态的主要原因。

既然如此,那么事情似乎就变得很简单了,我们只要使不饱和脂肪酸酯变成饱和脂肪酸酯,不就可以实现植物性油脂到动物性油脂的“历史性转变”了吗?这一变化在理论上是可行的,使不饱和脂肪酸酯与氢气发生反应,反应过程中碳碳双键变成单键,在原双键碳原子上各增加了一个氢原子。这一反应在化学上称为“加成反应”或“加氢反应”。

 “加氢反应”看似简单,但要切实地实现这个反应过程,却还有些难度。简单地将植物性油脂与氢气混合在一起,可能历经几小时、几天甚至更长的时间,都不会看到有发生反应的迹象。你可能已经想到,要顺利地实现这个反应,离不开催化剂的帮忙。

19世纪末期,法国化学家萨巴第埃在研究有机化合物的催化反应时,发现了金属镍粉具有很高的加氢催化活性,并以镍粉为催化剂实现了催化加氢反应。萨巴第埃因为他的这一重要发现而获得 1912 年的诺贝尔化学奖。萨巴蒂埃一生致力于对有机催化的研究,除了催化加氢外,他在催化脱氢、水合、脱水等有机反应研究上也有众多建树。1902 年,德国化学家诺曼将萨巴第埃的理论应用到油脂工业上,进行了油脂的催化加氢研究。他用镍粉作为催化剂,使植物油发生“加氢反应”而逐渐硬化,得到了饱和的油脂,称为“氢化植物油”。

利用这种“氢化植物油”生产的奶油,我们称之为“人造奶油”(margarine,中文又译为“麦淇淋”)。因为其生产原料不再依赖于动物脂肪,而可以实现用廉价的棉子油、花生油等植物油生产“奶油”,所以这一方法一经问世便得到了大力的推广。自此,各种各样“人造奶油”制成的食品问世,并在很多场合替代了天然奶油,其产量已超过天然奶油。(氢化植物油因含有较多的反式脂肪酸,所以其在食品中的使用也引发了不少争议。)

现在,不饱和油脂的催化加氢已经进入大规模的工业生产,而催化加氢催化剂成为这一工业生产得以实现的最为关键的因素。而且,不仅仅是生产“人造奶油”用以食品工业,液态植物油经过加氢反应后所得到的固体脂肪还可以用来制造各种化妆品、肥皂等。

催化技术发展对工业生产的影响

回顾整个现代工业发展过程,可以毫不夸张地说,现代工业的蓬勃发展与催化技术的进步、新型催化剂的研制有着不可分割的密切联系。催化剂的更新换代促进了工业生产不断向前发展;而同时,对改进工业生产的迫切愿望也促使科学家们研制更新、更好的催化剂。每当有新的催化剂和新的催化工艺研制成功,都会令工业生产的工艺发生改革,从而简化、优化生产设备和工艺流程,大幅度地降低成本,并为我们提供更好的新产品和新材料。在这方面,聚乙烯材料走过的“辉煌路程”就是一个很好的明证。

说到乙烯,我们都一定不会感到陌生。乙烯是一种重要的烃,科学家们还发现,乙烯也是一种不饱和烃,分子中有一个碳碳双键。正是这个不饱和的双键,使得乙烯的化学性质相当活泼,能反应生成许多种重要的有机化工产品。乙烯能生产氯乙烯(制造聚氯乙烯塑料的原料);乙烯与水通过浸渍有磷酸的固体催化剂的催化,发生反应生成乙醇(酒精),这是工业上除粮食酿造法外最重要的生产乙醇的方法;在以银为活性成分的催化剂的催化作用下,乙烯能与氧气发生反应生成环氧乙烷,环氧乙烷除用作杀菌剂、消毒剂、熏蒸剂外,也是一种重要的化工原料。所以说,乙烯是现代石油化工的重要基础原料,因此经常用乙烯的产量来标志一个国家石油化工发展的水平。

当然,乙烯最重要的用途是制成聚乙烯。1933年,英国科学家经过研究发现,乙烯在高压下可聚合生成聚乙烯。当然,这和其他很多发现一样,也是“歪打正着”的结果。1939年,这一化学变化实现了工业化生产,从此,聚乙烯就走进了我们的生活。高压法生产的聚乙烯密度约为0.915~0.925g/cm3,称为低密度聚乙烯。这样得到的低密度聚乙烯,其结晶性较差,密度低,化学稳定性、电绝缘性和柔软性较好,易于加工,但不能没有你----工业生产与催化剂硬度和机械强度较差。低密度聚乙烯最大的用途是生产各种薄膜,农业上用的大棚、地膜等塑料薄膜以及各种塑料袋,都是用低密度聚乙烯生产的。低密度聚乙烯尽管性能上有很多优点,但它不耐热、强度差的特点也是一个致命伤,严重影响了它的应用范围。

聚乙烯生产历史上最为激动人心的事件,莫过于齐格勒催化剂的发明了。1953年,化学家齐格勒发现,在四氯化钛和烷基铝组成的催化剂的催化作用下,乙烯在较低的压力下也可以聚合成聚乙烯。这种聚乙烯的密度大于0.940 g/cm3,比高压法生产的聚乙烯密度大,称为高密度聚乙烯。为此,齐格勒获得了1963年的诺贝尔化学奖。由于生产工艺的不同,高密度聚乙烯与低密度聚乙烯有很多性质不同,用途也不尽相同。高密度聚乙烯结晶性好,密度高,化学稳定性、电绝缘性也很好,而且更耐热,硬度和机械强度较高。用高密度聚乙烯制成的容器可耐受高温,如煮沸消毒,这是用低密度聚乙烯制成的产品所不能的。高密度聚乙烯产品重要的用途是制造各类瓶、桶、罐、包装箱等包装材料以及管材、电线电缆等建筑材料。

低压法生产聚乙烯的核心技术在于聚合催化剂。齐格勒的四氯化钛和烷基铝催化剂为低压法的第一代聚合催化剂,还存在着很多缺点,例如,其催化效率比较低,生产成本很高,而且得到的聚乙烯必须经过非常复杂的后续处理,工艺流程比较繁琐。

20世纪60年代,比利时索尔维公司首创以镁化合物为载体的第二代聚合催化剂,催化效率远高于第一代催化剂。随后,许多国家也纷纷研制出具有较高催化活性的聚合催化剂。第二代催化剂与第一代相比,通过改良催化剂的活性中心和载体,极大地扩大了催化剂的表面积,活性中心增加了,使得催化效率有显著的提高。催化剂的更新不仅提高了生产效率,使聚乙烯产品的品质大幅提高外,还简化了工艺流程,使得聚乙烯产品与催化剂的分离、产品的纯化等更为简便。

20世纪70年代,第三代聚合催化剂研制成功。第三代聚合催化剂除了具有更高的活性和催化效率外,还能直接得到具有规则形状的聚乙烯粒子(原先工艺得到的都是聚乙烯粉末),而且粒子的大小、形状可以调节。第三代催化剂除了提高了生产效率外,更是省去了造粒的步骤,进一步简化了生产流程,节省了成本。

随着聚合催化剂的不断更新,催化工艺的不断进步,如今,我们不仅能生产用于制造各种塑料制品的低密度聚乙烯和高密度聚乙烯,而且,科学家们还研制出相对分子质量达到300万到600万的超高相对分子质量聚乙烯。这种聚乙烯具有极其优异的性能,其强度非常高,已被广泛地用作防弹衣的材料。

如果没有催化剂,或者说没有不断发展的催化剂及催化技术,聚乙烯或许还只是个稀罕物儿,由于其高昂的价格而只能为少部分人享有,更不可能诞生出品种多样、用途各异的聚乙烯材料。我们得感谢催化剂,是它,使得今天人人都能够用到廉价的、性能优良的聚乙烯塑料。不过,似乎我们中的很多人正在滥用这种权利——过度使用、随意丢弃的塑料袋就是代表。

聚乙烯材料千好万好,但并非十全十美,它有一个严重的缺点——难以降解。随意丢弃塑料袋的危害已深入人心,无须再老生常谈。但一味地抨击塑料等化工制品的危害,夸大化学工业对环境造成的危害,则近乎于“乱谈”和“胡谈”。我们能够做的,除了力所能及地少用几个塑料袋外,更重要的是开发出成本低廉的、能降解的“环境友好型”塑料制品。

从发明合成氨催化剂的哈伯,到研制出催化加氢催化剂的萨巴第埃,还有研制了以其名字命名的乙烯聚合催化剂的齐格勒,以及在手性催化领域作出突出贡献的诺里斯,纵观整个诺贝尔化学奖,我们发现,许多获奖者的研究内容都与催化剂和催化原理、催化过程、催化反应有关,或直接相关,或间接涉及。对此,你可千万别误以为诺贝尔化学奖的评奖者对于催化剂研究者特别青睐,那是因为催化剂和催化技术对于化学理论与实践研究,对于整个化学工业的发展,乃至人类社会的发展,有着至关重要的作用。催化剂是造福全人类的科学技术。

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