کاتالیست پروموت‌شده با آهن (Iron-Promoted Catalyst) یا کاتالیست پروموت آهن، به نوعی از کاتالیست‌ها گفته می‌شود که فلز آهن به عنوان پروموتر (Promoter) یا افزودنی تقویت‌کننده به فرمولاسیون اصلی کاتالیست اضافه شده است تا عملکرد، پایداری، گزینش‌پذیری یا فعالیت آن را بهبود دهد.
🔬 مفهوم پروموتر (Promoter) چیست؟
پروموترها موادی هستند که به تنهایی خاصیت کاتالیزوری ندارند، اما وقتی به کاتالیست افزوده می‌شوند، باعث بهبود عملکرد آن در فرآیندهای خاص می‌گردند. پروموترها می‌توانند:
فعالیت (Activity) کاتالیست را افزایش دهند
گزینش‌پذیری (Selectivity) را بالا ببرند
پایداری حرارتی یا مکانیکی را بهبود دهند
مقاومت در برابر سموم (Poisons) را افزایش دهند
🧪 نقش آهن به عنوان پروموتر:
آهن معمولاً به عنوان پروموتر در کاتالیست‌هایی استفاده می‌شود که در فرآیندهای زیر به کار می‌روند:
1. کاتالیست سنتز آمونیاک (Haber-Bosch Process):
آهن در واقع جزء اصلی فعال است، اما اغلب با پروموترهایی مثل آلومینیوم، پتاسیم، منیزیم و کلسیم همراه می‌شود.
در این کاربرد، گاهی به آهن پروموترهایی نیز افزوده می‌شود که خاصیت آن را تقویت کنند.
2. واکنش فیشر–تروپش (Fischer–Tropsch):
در فرآیند تبدیل گاز سنتز (CO + H₂) به هیدروکربن‌های مایع، آهن پروموت‌شده با موادی مثل پتاسیم، مس یا آلومینا استفاده می‌شود.
نقش آهن: کاتالیز واکنش
پروموتر: افزایش فعالیت و گزینش‌پذیری
3. کاتالیست‌های اکسیداسیون و احیا:
آهن به عنوان پروموتر در کاتالیست‌های پایه وانادیوم، کبالت یا نیکل برای اکسیداسیون انتخابی یا حذف NOx به کار می‌رود.
💡 مزایای پروموت آهن:
| ویژگی | توضیح |
|---|---|
| فعالیت بالا | به افزایش نرخ واکنش کمک می‌کند |
| قیمت پایین | نسبت به فلزات گرانبها (Pt, Pd) ارزان‌تر است |
| خواص ردوکس | به دلیل داشتن حالت‌های اکسیداسیون مختلف |
| سازگاری با محیط‌های صنعتی | مقاوم در برابر شوک حرارتی و تغییرات فرآیندی |
مثال صنعتی:
در تولید هیدروژن یا سنتز متانول، گاهی کاتالیست پایه نیکل یا کبالت با پروموت آهن به‌کار می‌رود تا نرخ احیا یا تبدیل بهتر شود.
کاربرد:
1. صنعت پالایشگاه
✅ کاربرد:
کاهش آلاینده‌ها (DeNOx)، اکسیداسیون و هیدروژنه‌کردن سوخت‌ها
🔹 جزئیات:
در فرآیند حذف NOx از دودکش‌های واحد FCC یا بویلرها، کاتالیست‌هایی استفاده می‌شوند که با پروموت آهن، گزینش‌پذیری بالا به NOx و مقاومت حرارتی بیشتری دارند.
در کاتالیست‌های اکسیداسیون گوگرد یا مرکاپتان‌ها (مثلاً در فرآیند sweetening)، آهن به عنوان پروموتر باعث بهبود عملکرد اکسیداسیون می‌شود.
همچنین در برخی کاتالیست‌های مبتنی بر نیکل یا کبالت، افزودن آهن باعث بهبود پایداری در هیدروژنه‌کردن ترکیبات سنگین (Hydroprocessing) می‌شود.
🧪 2. صنعت پتروشیمی
✅ کاربرد:
فرآیند فیشر-تروپش، سنتز گاز، تولید الفین‌ها و آروماتیک‌ها
🔹 جزئیات:
در واحدهایی که از گاز سنتز (H₂ + CO) برای تولید سوخت‌های مایع استفاده می‌شود (فرآیند Fischer–Tropsch)، کاتالیست‌های آهن‌دار پروموت‌شده با پتاسیم و مس کاربرد دارند.
آهن در این کاربرد به عنوان فلز فعال اصلی است و با پروموترها تقویت می‌شود تا:
سرعت تبدیل افزایش یابد
گزینش‌پذیری به هیدروکربن‌های خاص تنظیم شود
عمر کاتالیست بیشتر شود
در برخی کاتالیست‌های شکست بخار متان (SMR) یا اکسیداسیون جزئی، آهن به عنوان پروموتر به پایه‌های نیکل اضافه می‌شود تا پایداری در برابر کک‌سازی و سینترینگ بالا رود.
🏭 3. صنعت فولاد
✅ کاربرد:
تولید گاز احیاکننده، کوره‌های احیای مستقیم (DRI)، و گاززدایی
🔹 جزئیات:
در فرآیندهای تولید آهن اسفنجی (DRI) که با استفاده از گاز احیاکننده (H₂/CO) انجام می‌شود، از کاتالیست‌هایی برای کنترل کیفیت گاز و حذف ناخالصی‌ها استفاده می‌شود.
آهن یا اکسیدهای آهن در این فرآیند هم به عنوان ماده فعال در احیای همزمان و هم به عنوان پروموتر در کاتالیست‌های کنترل گاز حضور دارد.
همچنین در برخی از کاتالیست‌های تولید هیدروژن برای احیا فلزات، پروموتر آهن برای افزایش سرعت واکنش و مقاومت در برابر دمای بالا اضافه می‌شود.
در سیستم‌های تصفیه گازهای خروجی کوره‌ها نیز از کاتالیست‌هایی استفاده می‌شود که آهن در ترکیب آن‌ها نقش پروموتر دارد تا اکسیدهای گوگرد یا نیتروژن را کاهش دهند.
📌 جمع‌بندی نقش آهن در این صنایع:
| صنعت | فرآیند کلیدی | نقش کاتالیست پروموت آهن |
|---|---|---|
| پالایشگاه | DeNOx, sweetening, hydroprocessing | افزایش گزینش‌پذیری، مقاومت حرارتی، فعالیت بیشتر |
| پتروشیمی | FT، SMR، سنتز گاز، هیدروکربن‌ها | افزایش فعالیت، کنترل توزیع محصولات، عمر بالاتر |
| فولاد | DRI، تولید هیدروژن، تصفیه گاز کوره | بهبود احیا، حذف ناخالصی‌ها، کاهش آلاینده‌ها |
کاتالیست پروموت آهن (Iron-Promoted Catalyst) یا اکسیژن اسکونجر (Oxygen Scavenger Catalyst)
کاتالیست‌های پروموت شده با آهن، که با عنوان کاتالیست اکسیژن اسکونجر نیز شناخته می‌شوند، گروهی از کاتالیست‌های جامد هستند که برای حذف اکسیژن باقیمانده (Residual Oxygen) در گازها یا جریان‌های فرایندی طراحی شده‌اند. این کاتالیست‌ها نقش بسیار مهمی در محافظت از سایر بخش‌های حساس به اکسیژن، مانند کاتالیست‌های گوگردزدایی یا مولکولارسیو، دارند.
✅ کاربرد اصلی:
حذف اکسیژن باقیمانده (ppm-level) از گازهای:
نیتروژن
هیدروژن
متان
گاز سنتز
گاز فرآیندی در واحدهای شیمیایی، فولادی، پتروشیمی و پالایشی
🔬 ساختار و ترکیب:
| مؤلفه | نقش |
|---|---|
| Fe₂O₃ / Fe₃O₄ (اکسید آهن) | جزء فعال اصلی – واکنش‌دهنده با O₂ |
| پایه آلومینا (Al₂O₃) | افزایش سطح ویژه، استحکام حرارتی |
| پروموترها | مثل Cr، Mn، یا Co – افزایش فعالیت، پایداری، مقاومت در برابر سینتر شدن |
واکنش‌های شیمیایی:
اکسیژن موجود در جریان گاز با اکسید آهن واکنش داده و آن را به حالت بالاتر یا پایین‌تر اکسایش تبدیل می‌کند. به عنوان مثال:
4FeO+O2→2Fe2O3\text{4FeO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{Fe}_2\text{O}_34FeO+O2→2Fe2O3
یا:
Fe3O4+12O2→3Fe2O3\text{Fe}_3\text{O}_4 + \frac{1}{2} \text{O}_2 \rightarrow 3\text{Fe}_2\text{O}_3Fe3O4+21O2→3Fe2O3
در برخی طراحی‌ها، اگر در حضور هیدروژن یا CO قرار گیرد، چرخه اکسایش و کاهش پیوسته برای حذف اکسیژن حفظ می‌شود:
Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2 \rightarrow 2\text{Fe} + 3\text{H}_2\text{O}Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O
سپس:
2Fe+O2→2FeO2\text{Fe} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{FeO}2Fe+O2→2FeO
🧪 ویژگی‌های فیزیکی:
شکل: قرص یا گلوله (pellets)
رنگ: قرمز متمایل به قهوه‌ای (بسته به نوع اکسید آهن)
محدوده دمایی: 200 تا 450°C (بسته به طراحی فرایند)
فشار: تا 50 bar
ظرفیت اکسیژن‌گیری بالا (up to 20 wt% O₂)
🏭 صنایع مصرف‌کننده:
| صنعت | کاربرد |
|---|---|
| پتروشیمی | حذف O₂ پیش از ورود گازها به بسترهای حساس (مولکولارسیو، زئولیت، گوگردزدایی) |
| فولاد | تصفیه گاز احیایی پیش از ورود به راکتور احیا مستقیم (DRI) |
| پالایش | محافظت از کاتالیست‌های حساس در واحد هیدروتریتینگ یا ریفورمینگ |
| صنایع غذایی | گاز محافظ در بسته‌بندی تحت خلوص بالا (modified atmosphere packaging) |
نکات بهره‌برداری:
این کاتالیست‌ها بعد از جذب اکسیژن بازیابی‌پذیر نیستند (در اغلب موارد) و باید تعویض شوند.
در طراحی سیستم‌های خالص‌سازی گاز، معمولاً قبل از بسترهای اصلی نصب می‌شوند.
در واحدهایی که O₂ در حد ppm باقی می‌ماند، استفاده از این کاتالیست‌ها ضمانت محافظت تجهیزات پایین‌دستی را دارد.