کاتالیزورها (آنزیم) مهم‌ترین بخش از چرخه‌ی زندگی روی زمین در مراحل تشکیل، رشد و پوسیدگی هستند. تجزیه‌ی کاتالیزوری در فرآیندهای تبدیل انرژی خورشید به اشکال مختلف دیگر از انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد و نقشی کلیدی در حفظ محیط زیست ما بازی می‌کند. 90% از صنایع شیمیایی مربوط به فرایندهای تجزیه‌ای است و کاتالیزورها حدود 2% از کل سرمایه‌گذاری در صنایع شیمیایی را تشکیل می‌دهند.
انواع کاتالیزورها و واکنش‌های کاتالیزوری
کاتالیزورها بر اساس حالت فیزیکی می‌توانند گاز، مایع و یا جامد باشند. همچنین کاتالیزورها از لحاظ مواد سازنده به دو دسته‌ی زیر تقسیم می‌شوند:
- معدنی (گازها، فلزات، اکسید فلزات، اسیدهای معدنی و …
- آلی (اسیدهای آلی و آنزیم‌ها و …)
آماده‌سازی کاتالیزورها
کاتالیزورها به منظور تجزیه‌ی ماده‌ی متشکله و رسیدن به پایداری حرارتی، نیاز به کلسینه‌شدن دارند. تاثیرات کلسینه‌شدن در نمودار‌های زیر آمده است:
جذب سطحی روی سطح جامد
شناسایی جذب سطحی یک گام بسیار مهم در فرایند واکنش‌های کاتالیزور‌های جامد است. همچنین جذب سطحی به خودی خود یک فرایند معمول مورد استفاده در صنایع برای اهداف مختلف می‌باشد.
جاذب‌های معمول: غربال مولکولی، کربن فعال، سیلیکا ژل و آلومینای فعال هستند.
جذب فیزیکی یک تکنیک مفید برای تعیین محدوده‌ی سطح، شکل منافذ، اندازه‌ی منافذ و توزیع اندازه‌ی منافذ برای مواد جامد متخلخل می‌باشد.
پنج نوع از ایزوترم‌های جذب فیزیکی که برای جامدات به کار می‌روند در ادامه شرح داده شده است.
نوع اول – برای مواد متخلخل با منافذ کوچک به عنوان مثال برای زغال چوب به کار می رود که به وضوح لانگمیور از نوع تک‌لایه است
نوع دوم – برای مواد متخلخل به کار می‌رود.
نوع سوم – برای مواد متخلخلی که نیروی انسجام بین مولکول‌های جاذب از نیروی چسبندگی بین مولکول‌های جاذب و جذب‌شونده بزرگ‌تر است.
نوع چهارم – جذب مرحله‌ای است. (ابتدا تک‌لایه، سپس ساخت لایه‌های بعدی)
نوع پنجم – مواد متخلخل با نیروی انسجام بین مولکول‌های جاذب و جذب‌شونده‌ی بیشتر از نیروی بین مولکول‌های جاذب.
ایزوترم BET
بسیاری از ایزوترم‌های جذب فیزیکی مانند نوع اول و دوم هستند که در آن‌ها جذب در لایه‌ی اول، پیش از آن که جذب در لایه‌ی بعدی شروع شود تمام نمی‌شود. در این ایزوترم فرض می‌شود که سطح یکنواخت است، جذب چند‌لایه است و هیچ تعاملی بین مولکول‌های جذب‌شده و مولکول‌های جذب‌شده‌ی بی‌تحرک وجود ندارد. (برای آشنایی و کسب اطلاعات بیشتر در زمینه‌ی آنالیز BET کلیک کنید.)
گرمای جذب لایه‌های اضافی برابر با گرمای نهان میعان است.
معادله‌ی BET به شرح زیر است:
که در این معادله
P: فشار تعادلی
P0: فشار نسبی (فشار بخار اشباع‌شده از گاز جذب‌شده در دمای P/P0)
V: حجم گاز جذب‌شده به ازای هر کیلوگرم جاذب
Vm: حجم گاز جذب‌شده به صورت تک‌لایه به ازای کیلوگرم جاذب
C: ثابت همراه با گرمای جذب و گرمای چگالی
نکاتی درباره ایزوترم BET
معادله‌ی BET به صورت کاملا منطقی با تمام ایزوترم‌های جذب که تاکنون برای انواع مختلف جامدات شناخته شده است، متناسب است. (نوع اول تا پنجم) اگرچه در این نظریه به خاطر مفروضاتی که قبلا گفته شد، نقصی اساسی وجود دارد (هیچ تعاملی بین مولکول‌های جذب‌شده‌ی سطح همگن و گرمای ذوب برای همه‌ی لایه‌های بعدی برابر است).
ایزوترم BET، همانند باقی ایزوترم‌های دیگر، گزارش دقیقی از ایزوترم جذب در محدوده‌ی فشار محدودی می‌دهد. در سال‌های اخیر تقریرهای جدید زیادی در رابطه با تئوری ایزوترم جذب آمده است که بیشتر آن‌ها به یک سیستم خاص و تحت شرایط خاص بر می‌گردند و جامعیت ندارند.
استفاده از ایزوترم BET برای تعیین مساحت سطح یک جامد در فشار نسبی کم P/P0 = 0.05 ~ 0.35 مشخص شده است که:
اصول تعیین سطح به روش BET
یک نمودار (P/P0) / (V(1-P/P0)) بر P/P0 یک خط راست با شیبی برابر (c-1)/(cVm) و سطح مقطع 1-(cVm) خواهد بود.
برای یک سیستم که جذب سطحی داده است c و Vm مقادیر ثابت هستند. مساحت سطح یک ماده جامد با محاسبه‌ی مقدار جذب‌شده از یک گاز خاص روی یک سطح با سطح مقطع Am تعیین می‌شود.
Vm: حجم مولکول‌های گاز جذب‌شده به صورت تک‌لایه و به‌دست‌آمده از نمودار بر حسب لیتر
VT,P: حجم مولی گاز جذب‌شده لیتر بر مول
Am: سطح مقطع از یک تک‌مولکول گاز بر حسب متر مربع
خلاصه ای از ایزوترم های جذب
