Politechnika Łódzka

Wydział Chemiczny

INSTRUKCJA LABORATORIUM

Fizykochemia powierzchni

realizowanego w ramach Zadania nr 10

pn. Badanie stopnia utlenienia fazy aktywnej katalizatorów na nośnikach technikami temperaturowo programowanymi

Instrukcję opracował:

dr hab. inż. Jacek Grams

Łódź, 2010

SPIS TREŚCI

1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies)

Celem ćwiczenia pn. „Badanie stopnia utlenienia fazy aktywnej katalizatorów na nośnikach technikami temperaturowo programowanymi” realizowanego w ramach Zadania 10 jest określenie stopnia utlenienia fazy aktywnej wybranych katalizatorów na nośnikach przy użyciu technik temperaturowo programowanych.

2. WPROWADZENIE (Introduction)

Techniki temperaturowo programowane są popularnym narzędziem wykorzystywanym w badaniach sorbentów i katalizatorów. Podczas pomiaru próbkę katalizatora poddaje się działaniu odpowiedniego gazu przepływającego w sposób ciągły przez reaktor, w którym znajduje się analizowany materiał. Proces ten prowadzi się przy stałym wzroście temperatury. Przepływający gaz może reagować z substancjami znajdującymi się na powierzchni próbki, co znajduje swoje odzwierciedlenie w zmianie masy i temperatury próbki oraz składu gazów opuszczających reaktor. Dzięki temu możliwe jest: określenie temperatury redukcji bądź utlenienia poszczególnych komponentów katalizatora, ilości redukowanego lub utlenianego składnika, stopnia utlenienia metalu, dyspersji metalu, obecności różnych faz na powierzchni próbki oraz występowania oddziaływań pomiędzy fazą aktywną a nośnikiem katalizatora. W badaniach temperaturowo programowanych powszechnie stosowany jest detektor przewodnictwa cieplnego (TCD - ang. „thermal conductivity detector”). Jego zastosowanie napotyka jednak na pewne ograniczenia, dlatego obecnie jako detektor stosowany jest również spektrometr masowy. Należy pamiętać, że uzyskiwane wyniki, oprócz rodzaju analizowanego materiału, są uzależnione od szeregu parametrów, do których zalicza się: wielkość (masa) próbki, rozmiar ziaren katalizatora i ich porowatość, skład mieszanki gazowej, szybkość przepływu gazu, szybkość wzrostu temperatury, rodzaj i rozmiar detektora oraz objętość linii gazowej pomiędzy reaktorem i detektorem.

W zależności od rodzaju gazu wprowadzanego podczas badań do reaktora oraz procesów w nim zachodzących metody temperaturowo programowane można podzielić na:

- temperaturowo programowaną redukcję (TPR - ang. temperature programmed reduction),

- temperaturowo programowane utlenienie (TPO - ang. temperature programmed oxidation),

- temperaturowo programowaną desorpcję (TPD - ang. temperature programmed desorption),

- temperaturowo programowaną reakcję powierzchniową (TPSR - ang. temperature programmed surface reaction).

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure)

Ćwiczenie polega na wykonaniu temperaturowo programowanej redukcji próbki wybranego katalizatora (np. Co, Mo, Ni naniesionych na takie nośniki jak Al₂O₃, SiO₂, itp.) przygotowanej przez prowadzącego zajęcia przy użyciu aparatu AMI-1 (firmy Altamira Instruments, USA), opracowaniu i interpretacji uzyskanych wyników oraz określeniu składu fazy aktywnej katalizatora znajdujących się na badanej powierzchni. Wykonanie ćwiczenia jest poprzedzone krótkim wstępem teoretycznym przedstawionym przez prowadzącego zajęcia na temat technik temperaturowo programowanych, sposobu przygotowania katalizatora oraz zasady działania aparatury badawczej.

1. Aparatura pomiarowa

Ćwiczenie należy wykonać przy użyciu aparatu AMI-1 firmy Altamira Instruments (USA). Schemat aparatury przedstawiono poniżej.

Rysunek. 1 Schemat aparatu AMI-1 firmy Altamira Instruments (USA).

Do wykonania ćwiczenia niezbędna jest również waga techniczna oraz drobny sprzęt laboratoryjny (naczyńko wagowe, łopatka, reaktor kwarcowy w kształcie litery U, wata kwarcowa), które są udostępniane przez prowadzącego zajęcia.

2. Wykonanie ćwiczenia

1. Zapoznać się z zasadami obsługi aparatury badawczej.

2. Zgodnie ze wskazówkami prowadzącego zajęcia przygotować aparat do pracy, sprawdzić doprowadzenie linii gazowych.

3. Na wadze technicznej odważyć ok. 0,1 g katalizatora przygotowanego przez prowadzącego zajęcia.

4. Katalizator wprowadzić do reaktora kwarcowego. Po obu stronach złoża katalizatora umieścić niewielkie ilości waty kwarcowej w celu unieruchomienia próbki oraz zapobieżenia możliwości przedostawania się badanego materiału w głąb aparatu.

5. Zamontować reaktor w aparaturze badawczej. Sprawdzić szczelność połączenia reaktora z aparatem.

6. Zgodnie ze wskazówkami prowadzącego zajęcia wprowadzić do komputera kierującego urządzeniem parametry pomiaru oraz zanotować je.

7. Wykonać pomiar.

8. W przypadku jakichkolwiek nieprawidłowości w funkcjonowaniu aparatury zgłosić zaistniały fakt prowadzącemu zajęcia.

9. Po wykonaniu pomiaru i ochłodzeniu pieca wymontować reaktor z aparatu, oczyścić go. Uporządkować stanowisko pracy, zwrócić pozostały sprzęt prowadzącemu zajęcia.

10. Opracować uzyskane wyniki zgodnie ze wskazówkami prowadzącego zajęcia.

11. Na podstawie informacji oraz materiałów przekazanych przez prowadzącego zajęcia zinterpretować uzyskane wyniki oraz określić stopień utlenienia fazy aktywnej badanego katalizatora.

12. Wykonać sprawozdanie i dostarczyć je prowadzącemu zajęcia.

4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie stopnia utlenienia fazy aktywnej wybranych katalizatorów na nośnikach przy użyciu technik temperaturowo programowanych.

2. Metodyka pomiarów

W sprawozdaniu należy umieścić dane na temat składu, sposobu przygotowania i parametrów obróbki wstępnej badanego katalizatora, a także informacje dotyczące rodzaju aparatu, który został użyty do wykonania ćwiczenia oraz podstawowych parametrów jego pracy, tj. rodzaju i składu stosowanej mieszanki gazowej, szybkości przepływu gazu, zakresu temperatury, szybkości wzrostu temperatury, czasu pomiaru.

3. Wyniki pomiarów

Profile TPR uzyskane podczas wykonywania ćwiczenia należy załączyć do sprawozdania w formie wydruku komputerowego. Opis każdego z profili powinien pozwalać na jednoznaczną identyfikację zarówno badanej próbki jak i podstawowych warunków prowadzenia pomiaru (np. „katalizator 10%Co/Al₂O₃ kalcynowany w 400°C przez 4h - TPR 500°C”).

4. Opracowanie wyników pomiarów

Na profilach TPR należy nanieść temperatury, przy których znajdują się maksima poszczególnych pików. Opisać kształt uzyskanych profili uwzględniając ilość pików, ich wielkość oraz zakres temperatur, w którym występują. Na podstawie otrzymanych wyników, a także informacji oraz materiałów udostępnionych przez prowadzącego zajęcia zinterpretować uzyskane wyniki zwracając szczególną uwagę na skład oraz stopień utlenienia fazy aktywnej badanego katalizatora. Interpretację wyników przedstawić w formie pisemnej.

5. Wnioski

Określić skład oraz stopień utlenienia fazy aktywnej badanego katalizatora. Porównać zgodność wyników uzyskanych podczas wykonywania ćwiczenia z danymi udostępnionymi przez prowadzącego zajęcia. Zamieścić własne spostrzeżenia na temat wad i zalet oraz przydatności metod temperaturowo programowanych do badań powierzchni katalizatorów na nośnikach. Metody temperaturowo programowane porównać z innymi technikami analitycznymi służącymi do badań katalizatorów.

5. LITERATURA (References)

[1] Najbar, Mieczysława (red.), Fizykochemiczne metody badań katalizatorów kontaktowych, Wydawnictwo UJ, Kraków, 2000, str. 213-223.

[2] Sarbak, Zenon, Metody instrumentalne w badaniach adsorbentów i katalizatorów, Wydawnictwo UAM, Poznań 2005, str. 186-203.

[3] Grams, Jacek, Góralski Jacek, Ludomirska Iwona, Paryjczak Tadeusz, Wpływ rodzaju nośnika i warunków preparatyki na redukowalność katalizatorów kobaltowych, Przemysł Chemiczny, 2001, 80(11), 503.

[4] Arnoldy, P., Moulijn, J.A., Temperature Programmed Reduction of CoO/Al₂O₃ Catalyst, Journal of Catalysis, 1985, 93, 38-51.

[5] Grzybowska-Świerkosz, Barbara, Elementy Katalizy Heterogenicznej, PWN, Warszawa, 1993, str. 11-32.

6. PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)

1. Katalizator, faza aktywna, nośnik - rodzaje oraz funkcje.

2. Rodzaje technik temperaturowo programowanych.

3. Zastosowanie technik temperaturowo programowanych do badań katalizatorów na nośnikach.

4. Budowa aparatury do badań temperaturowo programowanych.

5. Zasada działania aparatury do badań temperaturowo programowanych.

6. Zasada działania detektora cieplno-przewodnościowego (TCD).

7. Rodzaje informacji o stanie powierzchni katalizatorów uzyskiwane podczas badań temperaturowo programowanych.

8. Zasady interpretacji wyników uzyskanych przy użyciu technik temperaturowo programowanych.

9. Sposoby określenia stopnia utlenienia fazy aktywnej katalizatorów podczas badań temperaturowo programowanych.

10. Określić stopień utlenienia Co (Mo, Ni) na powierzchni katalizatora na podstawie profili TPR przedstawionych przez prowadzącego zajęcia.

7. EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)

1. Co student powinien wiedzieć

- wymienić rodzaje oraz funkcje poszczególnych składników katalizatora (faza aktywna, nośnik),

- wyliczyć rodzaje technik temperaturowo programowanych oraz opisać, jaki jest obszar ich zastosowania,

- wyjaśnić, jaka jest budowa i zasada działania aparatury wykorzystywanej do badań temperaturowo programowanych oraz detektora cieplno-przewodnościowego,

- wymienić rodzaje informacji o stanie powierzchni katalizatorów uzyskiwane podczas badań temperaturowo programowanych

2. Co student powinien umieć

- obsłużyć aparaturę do badań temperaturowo programowanych oraz zarejestrować widma temperaturowo programowanej redukcji katalizatorów nośnikowych,

- po wykonaniu pomiaru zinterpretować wyniki otrzymane przy użyciu technik temperaturowo programowanych oraz na podstawie uzyskanych danych określić stopień utlenienia fazy aktywnej badanych katalizatorów

8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)

Pogotowie ratunkowe - 999

Straż pożarna - 998

Telefon alarmowy - 112

Laboratorium pn. „Badanie stopnia utlenienia fazy aktywnej katalizatorów na nośnikach technikami temperaturowo programowanymi” realizowane w ramach Zadania nr 10 2

ul. Żwirki 36, 90-924 Łódź Projekt realizowany w ramach Priorytetu IV - Działanie 4.1 - Poddziałanie 4.1.1.

www. ife.p.lodz.pl pn. „Przygotowanie i realizacja nowych kierunków studiów

tel. [phone] w odpowiedzi na współczesne potrzeby rynku pracy

042 638 38 26 i wymagania gospodarki opartej na wiedzy”

---