Politechnika Łódzka

Wydział Chemiczny

INSTRUKCJA LABORATORIUM

FIZYKOCHEMIA POWIERZCHNI

realizowanego w ramach Zadania nr 10

pn. Wyznaczenie dyspersji fazy aktywnej katalizatorów na nośnikach tlenkowych techniką impulsową

Instrukcję opracował:

Jacek Góralski

Łódź, 2010

SPIS TREŚCI

1. CEL ĆWICZENIA (Aim of studies)

Celem ćwiczenia pn Wyznaczenie dyspersji fazy aktywnej katalizatorów na nośnikach tlenkowych techniką impulsową realizowanego w ramach Zadania 10 jest Zapoznanie się z procesami chemisorpcji tlenu i wodoru na platynie oraz reakcjami gazowego miareczkowania w układzie tlen z fazy gazowej --zachemisorbowany wodór i odwrotnie oraz zastosowania tych procesów do wyznaczania wielkości dyspersji .

2. WPROWADZENIE (Introduction)

Katalizatory metal/nośnik są obecnie najczęściej stosowanymi w procesach technologicznych . Znajomość dyspersji naniesionych metali ma kluczowe znaczenie dla efektywnego wykorzystania drogich metali oraz oceny ich efektywności. Dyspersje platyny wyznacza impulsową metodą chemisorpcji wodoru i tlenu na czystą powierzchnię platyny lub metodą gazowego miareczkowania tlen-wodór i odwrotnie. W metodzie impulsowej do gazu nośnego ( hel lub argon ) przepływającego przez badaną próbkę wprowadza się impulsowo ściśle określone porcje adsorbatu (tlen ,wodór ,) Następuje powstawanie monowarstwy zachemisorbowanego tlenu lub wodoru na powierzchni platyny , kolejne porcje adsorbatu po przekroczeniu ilości niezbędnej do utworzenia monowarstwy pojawiają się na chromatografie w postaci pików o jednakowej powierzchni. W metodzie impulsowej zakłada się że zachodzą tylko procesy szybkiej i nieodwracalnej chemisorpcji powolnej i odwracalnej sorpcji nie obserwujemy. Chemisorpcję wodoru i tlenu prowadzimy na tak zwaną „ czystą powierzchnię „ platyny tj. powierzchnię z której usunięto zaadso.Wyznaczenie dyspersji metali naniesionych na tlenkowe nośniki rbowane na niej związki głównie tlen oraz związki siarki, węgla, i azotu obecne zawsze gdy katalizator ma kontakt z powietrzem. Oczyszczanie powierzchni metali polega na wprowadzeniu wodoru który reaguje z zanieczyszczeniami a następnie usunięciu zaadsorbowanego wodoru w temperaturze 500^oC w strumieniu oczyszczonego gazu nośnego (helu lub argonu).

Dla wyznaczenia dyspersji niezbędna jest znajomość stechiometrii oddziaływań adsorbat -atom powierzchniowy platyny. Większość badaczy uważa że wynosi 1 zarówno dla tlenu jak i dla wodoru .Reakcje chemisorpcji wodoru i tlenu na czystej powierzchni platyny możemy zapisać następująco:

Pt_s +0,5H₂ -------Pt_sH_ads (1)

Pt_s + 0,5 O₂-------Pt_sO_ads (2)

.W praktyce bardzo często zamiast chemisorpcji na czystą powierzchnię stosuje się reakcje gazowego miareczkowania wodór-tlen i odwrotnie. Metoda ta pozwala na ominięcie stosunkowo trudnego i pracochłonnego procesu oczyszczania powierzchni. Gazowe miareczkowanie polega na wysyceniu powierzchni katalizatora w temperaturze pokojowej tlenem ze strumienia lub impulsowo a następnie miareczkowanie małymi porcjami wodoru (lub odwrotnie) do momentu gdy na chromatogramie otrzymamy piki o jednakowej powierzchni.

Ogólnie reakcje miareczkowania w układzie tlen- wodór na powierzchni platyny można opisać następującymi reakcjami:

2 Pt_SO +3 H₂ -------- 2 Pt_SH +2 H₂O (3)

2 Pt_SH +1,5 O₂------2 Pt_SO + H₂O (4)

Jak wynika z reakcji 3 i 4 stosunek ilości wodoru zużytego w reakcji 3 do ilości tlenu zużytego w reakcji 4 nie zależy od stechiometrii oddziaływań wodoru i tlenu z powierzchnią platyny.

Z danych chemisorpcyjnych możemy wyznaczyć także powierzchnię selektywną platyny

Daną potrzebną do wyznaczenia powierzchni selektywnej jest liczba atomów platyny mających łączną powierzchnię 1 m² ,wynosi ona 1,3 x 10¹⁹ atomów Pt/m²

3. PRZEBIEG ĆWICZENIA (Procedure)

Prowadzący ćwiczenie omawia ze studentami podstawy procesów adsorpcyjnych, wyjaśnia różnice pomiędzy adsorpcją, absorpcją chemisorpcją. Przedstawia znaczenie wielkości powierzchni selektywnej i wyjaśnia pojecie dyspersji w katalizatorach naniesionych. Następnie studenci prowadzą procesy chemisorpcji wodoru i tlenu oraz reakcje gazowego miareczkowania tlen- wodór i odwrotnie. Z otrzymanych danych doświadczalnych wliczana jest dyspersja i powierzchnia selektywna platyny. Ostatni etap to napisanie sprawozdania i wyciągnięcie wniosków.

1. 
   Aparatura pomiarowa

Rys 1 Schemat aparatury do wyznaczania dyspersji i wielkości powierzchni selektywnej impulsową metodą chemisorpcyjną

(1 - butla z helem, 2 - przepływomierz, 3,4,5 - kolumny odtleniające, 6 - zawór dozujący,
7 - katarometr, 8,9 - układ rejestrujący i przetwarzający dane,
10 - komputer, 11 - reaktor, 12 - katalizator,
13 - termopara, 14 - zawory odcinające)

2. Wykonanie ćwiczenia

1. Na wadze laboratoryjnej należy odważyć 0,2 g katalizatora 4%Pt/Al₂O₃ wcześniej spreparowanego przez prowadzącego zajęcia ( katalizator należy odważyć dokładnością do czwartego miejsca po przecinku)

Odważoną porcję katalizatora umieszczamy w kwarcowym reaktorze

( nr 11 rys 1 )

2. Oczyszczamy powierzchnie platyny. W temperaturze pokojowej przez katalizator przepuszczamy wodór, następnie podnosimy temperaturę do 500⁰C przy ciągłym przepływie wodoru i utrzymujemy ją przez 30 minut. Po tym czasie przez katalizator przepuszczamy oczyszczony argon przez okres 30minut ,a następnie układ chłodzimy do temperatury pokojowej.

3. Na tak oczyszczoną powierzchnie za pomocą kranu dozującego (nr 6 rys 1) nastrzykujemy impulsy wodoru do momentu otrzymania na rejestratorze pików o powtarzalnej powierzchni.

4. Kolejnym etapem jest wykonanie reakcji gazowego miareczkowania zachemisorbowanego na powierzchni wodoru tlenem. Do kranu dozującego doprowadzamy tlen z butli i analogicznie jak w przypadku wodoru nastrzykujemy impulsy tlenu.

5. Powtarzamy reakcję gazowego miareczkowania w układzie zachemisorbowany na powierzchni platyny tlen miareczkujemy wodorem.

6. Wyliczamy powierzchnię selektywną platyny w m²/g kat i w m²/g Pt oraz dyspersję liczoną jako stosunek ilości atomów powierzchniowych platyny całkowitej ilości atomów platyny

4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)

1. Cel ćwiczenia

Opisać jaki jest cel wyznaczania powierzchni selektywnej naniesionych metali ,co w praktyce technologicznej daje nam znajomość dyspersji i za pomocą jakich metod możemy te dwie wielkości wyznaczyć.

2. Metodyka pomiarów

Opisać sposób otrzymywania „czystych” powierzchni naniesionych metali. Przedstawić wyznaczenie chemisorpcji tlenu i wodoru na powierzchni platyny przepływową metodą impulsową. Podać warunki prowadzenia reakcji gazowego miareczkowania zachemisorbowanego na powierzchni platyny tlenu wodorem z fazy gazowej i odwrotnie zachemisorbowanego wodoru impulsami tlenu.

3. Wyniki pomiarów

Rezultaty pomiarów chemisorpcji oraz gazowego miareczkowania otrzymujemy w postaci chromatogramów na których impulsy adsorbatu które uległy procesowi chemisorpcji lub reakcji miareczkowania nie są rejestrowane. W postaci pików obserwowane są one po zakończeniu procesu chemisorpcji.

4. Opracowanie wyników pomiarów

Z otrzymanych chromatogramów należy wyznaczyć ilości wodoru i tlenu zachemisorbowanego na powierzchni platyny oraz ilości tych adsorbatów zużytych w reakcji gazowego miareczkowania. Ilości te przeliczyć na gram katalizatora oraz na gram platyny. Obliczyć powierzchnię selektywną platyny oraz wartość dyspersji według wzoru.

Dyspersja liczona z chemisorpcji wodoru:

D= n_{At pow Pt}/n_{At cał Pt} = 2pzVM_Pt/RTm_katC

P- ciśnienie atmosferyczne, z-ilość impulsów wodoru które uległy chemisorpcji, V - objętość nastrzyku, M_Pt- masa molowa platyny, R- stała gazowa, T - temperatura pomiaru, m_kat- masa katalizatora, C - stężenie platyny w katalizatorze.

Powierzchnia:

S=2apzVN/RT

1. Ilośc atomów platyny na m², N liczba atomów w 1 molu, pozostałe oznaczenia jak wyżej.

5. Wnioski

We wnioskach należy dokona oceny przydatności metody chemisorpcji na czystą powierzchnię platyny oraz metody gazowego miareczkowania do wyznaczania selektywnej powierzchni oraz dyspersji naniesionych metali. Zanalizować możliwy wpływ innych procesów ( absorpcji w masie, sorpcji odwracalnej, procesów tworzenia wodorków ) na dokładność oznaczenia.

5. LITERATURA (References)

1) Paryjczak Tadeusz Chromatografia gazowa w badaniach adsorpcji i katalizy Warszawa PWN 1986 str185-229

2) Zenon Sarbak Metody instrumentalne w badaniach adsorbentów i katalizatorów Wydawnictwo Naukowe UAM str 203- 222

6. PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)

1 Za pomocą jakich parametrów możemy odróżnić chemisorpcję od adsorpcji fizycznej.

2.Opisac metody wyznaczania powierzchni selektywnej i przedstawić ich wady i zalety .

3.Napisać reakcje gazowego miareczkowania .

4.Porównać metodę chemisorpcji i gazowego miareczkowania pod względem dokładności, popełnianych błędów oraz trudności wykonania.

5.Co to jest dyspersja katalizatora i jak jej wartość wpływa na właściwości katalizatorów .

7. EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)

1. Co student powinien wiedzieć

naniesionych pełni nośnik Co to jest powierzchnia selektywna metali naniesionych, dyspersja metalu oraz stechiometria oddziaływań adsorbat - atom powierzchniowy metalu. Jak rozproszenie metalu wpływa na właściwości katalityczne. Jaką rolę w katalizatorach.

2. Co student powinien umieć

Porównać dokładność różnych metod oznaczania powierzchni oraz ocenić wielkość błędów związanych z metodą. Dokonać wyboru metody i wybór ten uzasadnić. Dokonać obliczeń wielkości powierzchni i dyspersji metalu .

8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)

straż pożarna 998

pogotowie ratunkowe 999

telefon ratunkowy 112

Laboratorium pn Wyznaczenie dyspersji fazy aktywnej katalizatorów na nośnikach tlenkowych techniką impulsową

realizowane w ramach Zadania nr 10 10

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”

---