کاتالیست تیتانیا یا TiO₂-based catalyst به کاتالیست‌هایی گفته می‌شود که دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) به عنوان پایه (Support) یا گاهی ماده فعال در آن‌ها استفاده می‌شود. این نوع کاتالیست به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی خاص TiO₂ در محیط‌های صنعتی کاربرد زیادی دارد.
🌟 ویژگی‌های TiO₂ به عنوان پایه کاتالیستی:
| ویژگی | توضیح |
|---|---|
| سطح ویژه بالا | افزایش سطح تماس با واکنش‌دهنده‌ها |
| پایداری حرارتی عالی | قابل استفاده در دمای بالا |
| خاصیت اسیدی مناسب | قابل تنظیم برای واکنش‌های خاص |
| مقاومت شیمیایی بالا | در برابر خوردگی و اسیدها مقاوم است |
| خاصیت نیمه‌رسانایی (semiconductor) | برای واکنش‌های فتوکاتالیستی مناسب است |
🔬 کاربردهای صنعتی کاتالیست تیتانیا
🛢️ 1. صنعت پالایشگاه
✅ کاربرد:
DeNOx – حذف اکسیدهای نیتروژن در سیستم‌های SCR
در فرآیند Selective Catalytic Reduction (SCR) برای کاهش NOx از گازهای خروجی بویلرها، واحدهای FCC و نیروگاه‌ها، از کاتالیست‌هایی با پایه TiO₂ + V₂O₅ + WO₃ یا MoO₃ استفاده می‌شود.
تیتانیا در اینجا نقش پایه (support) را دارد که فلزات فعال روی آن تثبیت می‌شوند.
مزیت: مقاومت در برابر سولفاته شدن و کارایی بالا در دمای عملیاتی 300–400 درجه سانتی‌گراد.
🧪 2. صنعت پتروشیمی
✅ کاربرد:
اکسیداسیون انتخابی، کراکینگ کاتالیستی، سنتز گاز، فتوکاتالیز
در کاتالیست‌های اکسیداسیون انتخابی برای تولید محصولات مانند آلدئیدها و اسیدها (مثلاً اکسیداسیون بوتان به مالئیک انیدرید)، از TiO₂ به عنوان پایه استفاده می‌شود.
در کراکینگ بخار (Steam Cracking) یا واکنش‌های اصلاحی، از تیتانیا برای افزایش پایداری حرارتی و اسیدی کاتالیست استفاده می‌شود.
در برخی کاربردهای فتوکاتالیستی (مثلاً شکافتن آب یا تجزیه آلاینده‌ها)، TiO₂ مستقیماً به عنوان ماده فعال استفاده می‌شود.
🏭 3. صنعت فولاد
✅ کاربرد:
تصویه گازهای خروجی، بازیافت گرما، پوشش نسوز، احیای دی‌اکسید گوگرد
در فرآیندهایی مانند DeSOx یا DeNOx گازهای خروجی کوره‌های فولادسازی، از کاتالیست‌های پایه TiO₂ استفاده می‌شود.
همچنین TiO₂ به دلیل مقاومت حرارتی بالا، در برخی کاتالیست‌های مورد استفاده در احیای مستقیم یا تولید گاز احیاکننده نقش محافظ و تثبیت‌کننده دارد.
گاهی در سیستم‌های پوشش نسوز یا جذب آلاینده‌ها در محیط‌های پرحرارت استفاده می‌شود.
📌 جمع‌بندی نقش تیتانیا در کاتالیست‌ها
| نقش تیتانیا | کاربردها |
|---|---|
| پایه برای فلزات فعال | V₂O₅، MoO₃، Pt، Ni در صنایع پالایش و پتروشیمی |
| بهبود خواص فیزیکی | مقاومت حرارتی و شیمیایی بالا |
| شرکت در واکنش نوری | فتوکاتالیست در تصفیه یا تجزیه |
| حذف آلاینده‌ها | کاربرد در SCR و DeNOx |
کاتالیست تیتانیا (Titania Catalyst) — توضیح جامع
معرفی کلی
کاتالیست تیتانیا که پایه آن دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) است، یکی از پرکاربردترین کاتالیست‌های صنعتی در واکنش‌های مختلف شیمیایی به خصوص در فرآیندهای احیا، اکسیداسیون و اصلاح هیدروکربن‌ها محسوب می‌شود. خواص فیزیکی و شیمیایی این کاتالیست به درصد و ساختار تیتان موجود در آن بستگی دارد که باعث ایجاد دو دسته اصلی کاتالیست‌های تیتانیا می‌شود:
کاتالیست‌های با درصد بالای تیتان (High TiO₂ content)
کاتالیست‌های با درصد پایین تیتان (Low TiO₂ content)
1. کاتالیست‌های با درصد بالای تیتان (High TiO₂ Content)
ویژگی‌ها:
حاوی مقادیر زیاد TiO₂ (معمولاً بیش از 70٪)
سطح فعال و خاصیت اسیدی-باز قوی
مقاومت بالای حرارتی و شیمیایی
توانایی بالای جذب نور و واکنش‌پذیری در فرآیندهای فوتوکاتالیستی (به ویژه در حضور نور UV)
کاربردها:
فوتوکاتالیست‌ها: در حذف آلودگی‌های محیطی، شکستن آلاینده‌ها و تصفیه آب و هوا
کاتالیست‌های احیا: تسریع واکنش‌های کاهش و هیدروژناسیون در صنایع نفت و گاز
کاتالیست‌های اکسیداسیون: فرآیندهای اکسیداسیون جزئی در تولید مواد شیمیایی
صنایع رنگ و پوشش: به عنوان ماده افزودنی برای بهبود خواص پوشش‌ها و رنگ‌ها
واکنش‌های مهم:
اکسیداسیون آلاینده‌ها و ترکیبات آلی
هیدروژناسیون کاتالیزوری در حضور گاز هیدروژن
واکنش‌های فوتوکاتالیستی تحت تابش نور
2. کاتالیست‌های با درصد پایین تیتان (Low TiO₂ Content)
ویژگی‌ها:
TiO₂ کمتر از 30٪ و معمولاً مخلوطی از تیتان با دیگر اکسیدهای فلزی یا مواد معدنی
خاصیت کاتالیزوری کمتر نسبت به درصد بالای تیتان
افزایش قابلیت پشتیبانی و استحکام مکانیکی به دلیل حضور مواد دیگر
هزینه کمتر و انعطاف‌پذیری بیشتر در طراحی کاتالیست
کاربردها:
به عنوان حامل کاتالیست برای فلزات فعال مانند نیکل، پلاتین و پالادیوم در صنایع نفت و پتروشیمی
در واحدهای ریفرمینگ و هیدروژناسیون برای بهبود پراکندگی فلزات فعال و افزایش عمر کاتالیست
در فرآیندهای کاهش مستقیم آهن به عنوان حامل و بهبود‌دهنده فعالیت کاتالیزوری
واکنش‌های مهم:
واکنش‌های هیدروژناسیون و هیدروکراکینگ
واکنش‌های رفرمینگ بخار و اصلاح هیدروکربن‌ها
تسهیل واکنش‌های احیای اکسید آهن و فلزات فعال
مقایسه کلی
| ویژگی | درصد بالای تیتان (High TiO₂) | درصد پایین تیتان (Low TiO₂) |
|---|---|---|
| درصد TiO₂ | بالا (>70٪) | پایین (<30٪) |
| کاربرد اصلی | فوتوکاتالیست، اکسیداسیون، احیا | حامل فلزات فعال، رفرمینگ، هیدروژناسیون |
| خواص فیزیکی | مقاومت حرارتی بالا، خاصیت اسیدی قوی | استحکام مکانیکی بالا، انعطاف‌پذیر |
| واکنش‌های کلیدی | اکسیداسیون، هیدروژناسیون، فوتوکاتالیست | هیدروژناسیون، هیدروکراکینگ، رفرمینگ |
در بازیابی گوگرد (Sulfur Recovery)، به‌ویژه در فرآیند کلاوس (Claus Process)، از چند نوع کاتالیست با پایه‌های مختلف استفاده می‌شود تا گوگرد عنصری از گازهای حاوی H₂S و سایر ترکیبات گوگردی بازیابی گردد. هر کدام از این کاتالیست‌ها بسته به مرحله فرآیند و شرایط دما، ترکیب گاز، و نوع آلاینده، انتخاب می‌شوند.
✅ انواع کاتالیست‌های مورد استفاده در فرآیند بازیابی گوگرد
کاتالیست‌های Active Alumina (آلومینای فعال)
کاتالیست‌های تیتانیا با درصد پایین TiO₂ (Low-Titania Catalyst)
کاتالیست‌های تیتانیا با درصد بالا TiO₂ (High-Titania Catalyst)
کاتالیست‌های پروموت‌شده آلومینا (Promoted Alumina Catalyst)
کاتالیست‌های ZNO (Zinc Oxide) – حذف H₂S و COS
🔹 1. کاتالیست‌های آلومینای فعال (Active Alumina)
🔬 ترکیب:
پایه اصلی: γ-Al₂O₃ با سطح ویژه بالا
بدون فلز فعال
به‌صورت گرانول کروی
⚙️ کاربرد:
مراحل دوم به بعد در واحد Claus (معمولاً بعد از مرحله اول که دمای بالا دارد)
دمای بهینه عملکرد: 220–280°C
واکنش‌های بهینه در این مرحله:
تبدیل SO₂ و H₂S به گوگرد
واکنش‌های کُندتر مثل هیدرولیز COS و CS₂
🔁 واکنش‌ها:
Claus Reaction:
- 2H2S+SO2→3S+2H2O2H_2S + SO_2 → 3S + 2H_2O2H2S+SO2→3S+2H2O
Hydrolysis:
- COS+H2O→H2S+CO2COS + H_2O → H_2S + CO_2 COS+H2O→H2S+CO2 CS2+2H2O→2H2S+CO2CS_2 + 2H_2O → 2H_2S + CO_2CS2+2H2O→2H2S+CO2
✅ مزایا:
ارزان، در دسترس، پایدار
مناسب برای واکنش‌های تعادلی و هیدرولیز
سطح ویژه بالا، مقاومت مکانیکی خوب
🔹 2. کاتالیست تیتانیا با درصد پایین (Low-Titania Catalyst)
🔬 ترکیب:
پایه: آلومینا با حدود 5–15٪ TiO₂
ظاهر: مشابه آلومینا ولی با بهبود فعالیت
⚙️ کاربرد:
برای واحدهایی که مقداری SO₂ یا آرسنیک در گاز دارند
افزایش مقاومت در برابر سولفاته‌شدن نسبت به آلومینای خالص
دمای بهینه: 250–300°C
✅ مزایا:
عملکرد بهتر در حضور آلاینده‌ها (As, SO₃)
گزینش‌پذیری بهتر برای Claus و هیدرولیز نسبت به آلومینا خالص
🔹 3. کاتالیست تیتانیا با درصد بالا (High-Titania Catalyst)
🔬 ترکیب:
بیش از 60–95٪ TiO₂ (بیشتر rutile یا anatase phase)
گاهی با مقدار کمی آلومینا یا binder
⚙️ کاربرد:
مرحله اول کاتالیستی در Claus (جایی که دمای بالا و آلاینده زیاد است)
مقاوم در برابر آرسنیک، SO₃، سیلیس، وانادیوم
مناسب برای گازهای ترش با آلودگی بالا
✅ مزایا:
مقاوم در برابر deactivation
گزینش‌پذیری بالا برای واکنش Claus
مقاوم در برابر تشکیل سولفات
🔁 واکنش اصلی:
2H2S+SO2→3S+2H2O(ClausReaction)2H_2S + SO_2 → 3S + 2H_2O \quad (Claus Reaction)2H2S+SO2→3S+2H2O(ClausReaction)
🔹 4. کاتالیست‌های پروموت‌شده آلومینا (Promoted Alumina Catalysts)
🔬 ترکیب:
پایه: γ-Al₂O₃
پروموترها: Ti, Fe, Ce, یا فلزات واسطه دیگر
درصد پایین از پروموترها (مثلاً 1–5٪)
⚙️ کاربرد:
مرحله دوم یا سوم Claus
افزایش فعالیت در دمای پایین‌تر
بهبود در واکنش‌های هیدرولیز و گزینش‌پذیری برای گوگرد
✅ مزایا:
طول عمر بالاتر از آلومینای معمولی
مناسب برای طراحی compact با بهره‌وری بالا
فعالیت بیشتر در شرایط غیرایده‌آل (آلاینده، دمای پایین)
🔹 5. کاتالیست‌های ZnO (زینک اکسید)
🔬 ترکیب:
ZnO خالص یا روی پایه آلومینا/سیلیکا
فرم گرانول یا اکسترود
⚙️ کاربرد:
Pre-treatment برای حذف H₂S، COS و RSH از گاز خوراک
به‌خصوص در واحدهایی که به کاتالیست‌های حساس به سولفور (مثل واحد هیدروژن یا ریفرمینگ) متصل هستند
دمای بهینه: 200–400°C
🔁 واکنش:
H2S+ZnO→ZnS+H2OH_2S + ZnO → ZnS + H_2OH2S+ZnO→ZnS+H2O
✅ مزایا:
جذب کامل H₂S، حذف پایدار
قابل احیا در برخی طراحی‌ها
محافظ کاتالیست‌های گران‌قیمت در مراحل بعدی
📊 مقایسه خلاصه انواع کاتالیست بازیابی گوگرد:
| نوع کاتالیست | پایه اصلی | واکنش کلیدی | مقاومت در برابر آلاینده | مرحله کاربرد |
|---|---|---|---|---|
| آلومینای فعال | γ-Al₂O₃ | Claus + Hydrolysis | کم | مرحله ۲ به بعد |
| تیتانیای پایین | Al₂O₃ + 5-15% TiO₂ | Claus | متوسط | مرحله ۲ |
| تیتانیای بالا | >60% TiO₂ | Claus | بسیار بالا | مرحله اول |
| پروموت‌شده آلومینا | Al₂O₃ + Fe/Ti/Ce | Claus + Hydrolysis | متوسط | مرحله دوم |
| ZnO | ZnO | جذب H₂S | بالا | پیش‌تصفیه (Pre-b |