Katalyysi Suomessa

Katalyytti Katalyytti nopeuttaa reaktioita alentamalla reaktion aktivoitumisenergiaa. Katalyytti = Kantaja-aine + aktiivinen aine Katalyytti voi olla heterogeeninen eli eri faasissa kuin reagoiva seos tai homogeeninen, jolloin se on samassa faasissa reaktioseoksen kanssa Ilman katalyyttiä Katalyytin kanssa Energia

Erilaisia katalyyttejä Happamat metallikatalyytit, esim. – CoMo Al 2 O 3 -kantajalla – NiMo Al 2 O 3 -kantajalla – NiW zeoliitti-kantajalla Metallikatalyytit, esim. – Ni SiO 2 -kantajalla – Pt Al 2 O 3 -kantajalla Kiinteä happokatalyytti, esim. – Y-zeoliitti SiO 2 -Al 2 O 3 –kantajalla – Sulfonoitu ioninvaihtohartsi Heterogeenisessä katalyytissä aktiivinen aine tuetaan suuripinta-alaisen tukiaineen pinnalle. Tämä yhdistelmä voidaan edelleen kiinnittää tai pinnoittaa erilaisiin tukirakenteisiin, kuten metallilevyille tai keraamisille kappaleille. Entsyymit ovat biologisia katalyyttejä.

Erilaisia katalyyttejä Halutun komponentin tuottaminen tai erottaminen molekyylin koon tai muodon perusteella molekyyliseulan avulla B Smit, L M Maesen; Nature, 451 (2008) 672 Aktiivinen aine voidaan tukea myös molekyyliseulalle, jolloin mm. Katalyytin selektiivisyyteen eli halutun reaktion tapahtumiseen voidaan vaikuttaa Zeoliiteissä on huokosia, jotka toimivat ns. molekyyliseulana

Katalyyttien käyttö Katalyysi-sanan otti ensimmäisenä käyttöön ruotsalainen kemisti Jöns Jacob Berzelius Kemian teollisuuden tuotteista yli 90% on tuotettu katalyyttien avulla Ensimmäinen auton katalysaattori otettiin käyttöön luvulla Suurimpia katalyyttien käyttäjiä ovat öljynjalostus ja petrokemian teollisuus Katalyysi-sanan otti ensimmäisenä käyttöön ruotsalainen kemisti Jöns Jacob Berzelius Kemian teollisuuden tuotteista yli 90% on tuotettu katalyyttien avulla Ensimmäinen auton katalysaattori otettiin käyttöön luvulla Suurimpia katalyyttien käyttäjiä ovat öljynjalostus ja petrokemian teollisuus

Katalyytit ympäristönsuojelussa Moottorin säätöyksikkö Lambda-anturi CO 2 H 2 O N 2 Katalyyttinen konvertteri NO X, CO, HCs Katalyytti pienentää typpioksidien, hiilimonoksidin ja hiilivetyjen päästöjä Katalyyttien aktiivisina aineina jalometallit Pakokaasukatalysaattori Kaasujen puhdistusreaktiot ovat hapetus- ja pelkistysreaktioita jotka tapahtuvat katalyytin pinnalla kun lämpötila on riittävän korkea

Rikkipitoiset hajukaasut CO 2 H 2 O HCl SO 2 Aktiiviset aineet: Pt, Pd, Au Kantaja-aineet: Al 2 O 3, CeO 2 Haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) katalyyttinen hapetus Katalyytit ympäristönsuojelussa Orgaaniset liuottimet Klooratut luottimet tuotteet Erityyppisten yhdisteiden hapetuksessa tarvitaan eri tyyppisiä katalyytti- materiaaleja. Myös reaktiossa tarvittava lämpötila katalyytin ‘sytyttämiseksi’ riippuu käsiteltävästä päästöstä.

Katalyytit ympäristönsuojelussa Jätevesien orgaanisten aineiden hapetus katalyyttisesti CO 2 + H 2 O Hapettimina: ilma, O 2, H 2 O 2 Aktiiviset aineet: esim. Ru, Ag, Pt Ohjausyksikkö Kuumennusvaippa Painereaktori Hapettimen lisäys Lämpötila-anturi Jätevesien katalyyttinen hapetus Myös veden epäpuhtauksia voidaan käsitellä katalyyteillä. Hapettimena voidaan tällöin käyttää myös nestemäisiä aineita. Tämä n.k. Katalyyttinen märkähapetus tehdään korkeassa paineessa ja lämpötilassa.

Katalyytit ympäristönsuojelussa Katalyytteinä: TiO 2 ja ZnO Orgaaniset epäpuhtaudet hapettuvat sopii myös itse-puhdistuviin pintoihin, esim. ikkunoihin UV lamppu O2O2 Likaista vettä Katalyyttinen veden puhdistus UV-valon avulla Katalyytti sekoitettuna jäteveteen Katalyytin toimintaa voidaan aktivoida myös muulla tavoin kun lämmittämällä katalyyttiä vastuksilla. Tässä aktivointi tapahtuu UV-valolla, mutta aktivointia voidaan tehdä myös mm. plasmalla, mikroaalloilla ja ultraäänellä.

Biomassa raaka-aineena Reaktori Katalyytti reaktorissa H2H2 entsyymi bioetanoli Biomassasta vetyä polttokennoihin Biomassasta tuotettu vety on ympäristöystävällisempää, koska se aiheuttaa vähemmän CO 2 päästöjä kuin fossiilisista polttoaineista valmistettu vety. Polttokenno

Biomassa Kostea puuhake Kuivattu puuhake Tuotekaasun jäähdytys ja puhdistus  synteettinen biokaasu Synteettinen biokaasu Jalostus polttoaineiksi Fischer-Tropsch-synteesi: Katalyytit mm. Co/Ru Co/Fe Kaasutuksella liikenteen polttoaineita Synteettiset Polttoaine raaka-aineet Liikenteen polttonesteet Synteettiset Raskaat ja keveät hiilivedyt Alkoholiseokset Biomassa raaka-aineena Kaasutuksessa muutetaan kiinteä aine (biomassa) kaasuksi (biokaasuksi). Biokaasu voidaan jalostaa edelleen nestemäisiksi polttoaineiksi mm. Fischer-Tropsch synteesin avulla. Kaasutuksen kautta biomassasta voidaan valmistaa myös kemikaaleja ja tuottaa energiaa.

Biomassa raaka-aineena Entsyymien avulla biopolttoaineita Biopolttoaineen raaka-aineena voidaan käyttää useita erilaisia sokeripitoisia biomassoja, esim. energiakasveja, maatalouden ja teollisuuden sivutuotteita ja jätevirtoja Prosessin vaiheet: 1.Biomassan biologinen, kemiallinen, fysikaalinen tai fysikaalis-kemiallinen esikäsittely sokereiksi 2.Tarvittaessa hydrolyysi entsyymien tai hapon avulla 3.Fermentointi, jossa bakteerit muokkaavat entsyymien avulla sokereista erilaisia tuotteita, esim. happoja, alkoholeja ja ketoneita. 4.Tuotteiden erotus käymisliemestä ja tuoteseoksesta esim. tislaamalla, kaasustrippauksen tai kalvoerotustekniikoiden avulla. Biopolttoaineen raaka-aineena voidaan käyttää useita erilaisia sokeripitoisia biomassoja, esim. energiakasveja, maatalouden ja teollisuuden sivutuotteita ja jätevirtoja Prosessin vaiheet: 1.Biomassan biologinen, kemiallinen, fysikaalinen tai fysikaalis-kemiallinen esikäsittely sokereiksi 2.Tarvittaessa hydrolyysi entsyymien tai hapon avulla 3.Fermentointi, jossa bakteerit muokkaavat entsyymien avulla sokereista erilaisia tuotteita, esim. happoja, alkoholeja ja ketoneita. 4.Tuotteiden erotus käymisliemestä ja tuoteseoksesta esim. tislaamalla, kaasustrippauksen tai kalvoerotustekniikoiden avulla. Anaerobinen reaktorisysteemi. A: Reaktori, B: 3-tieventtiili, C: Esisuodatin, D: Bakteerisolujen immobilisointiyksikkö, E: Suodatin, F: Vesilukko. Copyright: Johanna Päkkilä, University of Oulu

Biopolttoainetta katalyyttisellä hapenpoistolla Rasvoista valmistetaan paraffiineja eli dieseliä CXHYCXHY Biodiesel Raaka-aineet: eläirasvat, kasviöljyt, rasvahapot mäntyöljystä biodieseliä CH── O── C── R′′ CH 2 ── O ── C ── R′ CH 2 ── O ── C ── R O O O II I I katalyytti Biomassa raaka-aineena Yksinkertaisimmillaan biodieseliä voidaan valmistaa esteröimällä sekoittamalla rasvaa alkoholin ja NaOH:n kanssa noin 60°C lämpötilassa. Tuotteina biodiesel sekä glyseroli, joka laskeutuu reaktorin pohjalle. Biodieseliä voidaan vielä puhdistaa vesipesun avulla.

Pyrolyysi Biomassa Pyrolyysiöljy ei sovi suoraan polttoaineeksi Pyrolyysiöljystä poistetaan happea katalyyttien avulla, jonka jälkeen tuote soveltuu polttoaineeksi - Jalometallit on havaittu lupaaviksi katalyyttimateriaaleiksi Pyrolyysi- eli bioöljyn valmistus biomassasta Biomassa raaka-aineena Pyrolyysi on kuivatislausta, missä kiinteitä orgaanisia aineita hajotetaan lämmön avulla ilman, että happi pääsee vaikuttamaan reaktioon. Kuivatislaus on pelkistävä reaktio. Esimerkiksi puuta kuivatislaamalla saadaan tuotettua tervaa.

Hiilivetyjen jalostus Katalyyttinen bensiinin oktaaniluvun nosto Isomerointi = lineaaristen hiilivetyjen haaroittaminen Lähtöaine Tuote Pt Al 2 O 3 Oktaaniluku on polttoaineen puristuskestävyyttä ilmaiseva luku. Mitä korkeampi oktaaniluku, sitä suurempi on sallittu puristussuhde. Liian pienen oktaaniluvun polttoaine aiheuttaa moottorille vahingollista nakutusta eli polttoaineseoksen ennenaikaista syttymistä. Katalyytti

Reaktiossa käytetään kiinteitä happokatalyyttejä kuten zeoliittejä, jotka ovat alumiinisilikaatteja. Zeoliittien happamuutta voidaan säädellä Hiilivetyjen krakkaus eli pilkkominen polttoaineeksi Hiilivetyjen jalostus Zeoliitin rakenne

Luonnosta peräisin oleva makeutusaine ksylitoli on sokerialkoholi. Se ehkäisee karieksen muodostumista ja luiden haurastumista Luonnosta peräisin oleva makeutusaine ksylitoli on sokerialkoholi. Se ehkäisee karieksen muodostumista ja luiden haurastumista Metsästä terveyttä – ksylitolin valmistus Katalyytti H 2 Ksyloosia, ksylitolin valmistuksen raaka- ainetta saadaan puusta Ksylitoli Katalyyteillä kemikaaleja

Metsästä lisää terveyttä edistäviä aineita Katalyyttinen sitosterolin vedytys sitostanoliksi palladium-katalyytin läsnäollessa Terveyttä edistäviä elintarvikkeita Katalyyteillä kemikaaleja Mäntyöljyn steroli

Tulevaisuuden teknologiaa Mikroreaktoreita voidaan käyttää esimerkiksi katalyyttiseen etyleenioksidin valmistuksessa Katalyyttiset kaasufaasireaktiot mikroreaktorissa Prosessi nyt Prosessi tulevaisuudessa Katalyytti

Katalyytit ovat nykyisyyttä ja tulevaisuutta Katalyyttejä käytetään yhä enemmän sekä teollisuudessa että ympäristösovelluksissa Katalyyttien kehitystyössä tarvitaan monien alojen osaajia: fysiikkaa, kemiaa, biokemiaa, insinööritieteitä Katalyysitutkimus tarvitsee juuri sinua!