อลูมินากัมมันต์ ( -Al₂O₃) เป็นตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการกลั่นปิโตรเลียม อุตสาหกรรมเคมีถ่านหิน และสาขาอื่นๆ ด้วยแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นของน้ำมันดิบที่หนักกว่าและ-คุณภาพต่ำลง ความต้องการสิ่งรองรับที่มีโครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดใหญ่และมีรูพรุนจึงกลายเป็นเรื่องเร่งด่วนมากขึ้นในการปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายเทมวลและการแพร่กระจายของโมเลกุลขนาดใหญ่ การขึ้นรูปแบบอัดรีดเป็นหนึ่งในวิธีการทั่วไปในการสร้างตัวรองรับอลูมินาที่กระตุ้นการทำงาน และโครงสร้างรูพรุนนั้นได้รับอิทธิพลจากปัจจัยหลายประการ เช่น คุณสมบัติของผง การสร้างสารเติมแต่ง และพารามิเตอร์กระบวนการอัดขึ้นรูป การควบคุมโครงสร้างรูพรุนอย่างมีประสิทธิภาพในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปกลายเป็นจุดสนใจในการวิจัย
ปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อโครงสร้างของรูพรุน
01 คุณสมบัติของผงอลูมินา
สัณฐานวิทยา ขนาดและการกระจายของอนุภาค โครงสร้างรูพรุน และพื้นที่ผิวจำเพาะของผงอลูมินาส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการขึ้นรูปแบบอัดขึ้นรูปและคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของส่วนรองรับ ลักษณะทางสัณฐานวิทยาและขนาดอนุภาคสะท้อนถึงความสามารถในการไหลและการอัดตัวของผง
สัณฐานวิทยา: ผงทรงกลมหรือทรงกลมกลวงมีการไหลที่ดี ผสมกับสารเติมแต่งได้อย่างง่ายดาย และส่งผลให้เกิดการรองรับที่มีการกระจายขนาดรูพรุนที่เข้มข้นและความพรุนสูง ในทางตรงกันข้าม ผงที่ไม่ปกติ เช่น อนุภาคที่มีรูปทรง-คล้ายเข็มหรือเป็นเกล็ด- ทำให้เกิดการผสมหลวม การขึ้นรูปยาก และการกระจายขนาดรูพรุน
ขนาดอนุภาค: ขนาดอนุภาคที่เล็กลงจะเพิ่มจุดสัมผัสระหว่างอนุภาค ส่งผลให้ความหนาแน่นของการอัดตัวสูงขึ้น และปรับปรุงความแข็งแรงเชิงกลของตัวรองรับ อย่างไรก็ตาม การผลิตอลูมินาที่มีอนุภาคละเอียดมากเกินไปถือเป็นความท้าทายทางอุตสาหกรรม การกระจายขนาดอนุภาคยังส่งผลต่อการบรรจุผงและความสามารถในการอัดด้วย
02 สารเติมแต่งขึ้นรูป
(1) อัตราส่วนน้ำ-ต่อ-ผง
เนื่องจากผงอลูมินาแห้งขาดความเป็นพลาสติก จึงมีการเติมน้ำในปริมาณที่เหมาะสมระหว่างการอัดขึ้นรูปเพื่อยึดอนุภาคของผงให้เป็นเนื้อพลาสติก น้ำยังให้ผลในการซึมซับเล็กน้อย ซึ่งช่วยเพิ่มแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคอลูมินาที่เปียกอย่างมีนัยสำคัญ และด้วยเหตุนี้จึงปรับปรุงความแข็งแรงเชิงกลของส่วนรองรับ อัตราส่วนน้ำ-ต่อ-ผง (อัตราส่วนมวลของน้ำต่อผงดิบ) มีอิทธิพลต่อความเป็นพลาสติกแบบเพสต์ แรงกดในการอัดขึ้นรูป และคุณสมบัติการรองรับ อัตราส่วนที่ต่ำเกินไปส่งผลให้มีแรงดันการอัดขึ้นรูปสูง พื้นผิวหยาบ ความแข็งแรงต่ำ และปริมาตรรูพรุนเล็ก อัตราส่วนที่สูงเกินไปทำให้เกิดการติดก้าน การเสียรูปของตัวเครื่องสีเขียว และลดพื้นที่ผิวจำเพาะ อัตราส่วนน้ำ-ต่อ-ผงที่เหมาะสมช่วยให้มั่นใจในการอัดขึ้นรูปที่ราบรื่นและความเสถียรของโครงสร้าง ในขณะที่อัตราส่วนที่สูงเกินไปยังทำให้ต้นทุนการอบแห้งเพิ่มขึ้นอีกด้วย
(2) สารเปปไทซิ่ง
สารเปปไทซิ่งรวมถึงกรดอินทรีย์และกรดอนินทรีย์ กรดอินทรีย์ทั่วไป ได้แก่ กรดฟอร์มิก กรดอะซิติก กรดซิตริก กรดมาโลนิก และกรดออกซาลิก กรดอนินทรีย์ทั่วไป ได้แก่ กรดไนตริก กรดไฮโดรคลอริก และกรดฟอสฟอริก สำหรับการขึ้นรูปแบบอัดขึ้นรูปของตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยาอลูมินา กรดไนตริกเป็นสารเปปไทซิ่งที่ใช้กันมากที่สุดเนื่องจากมีความสามารถในการเปปไทซ์สูง การเพิ่มปริมาณที่เหมาะสมจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลและกระจายขนาดรูพรุนให้เข้มข้น การเติมมากเกินไปจะรบกวนการอัดตัวของอนุภาค เพิ่มไมโครรูขุมขน และลดความแข็งแรง
(3) รูขุมขน-สารก่อรูป
ตัวเร่งปฏิกิริยาการแตกร้าวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยของเหลวและตัวเร่งปฏิกิริยาจำเป็นต้องมีการรองรับที่มีปริมาตรรูพรุนมาก ดังนั้น สารก่อรูปรูพรุน-จึงถูกนำมาใช้ในสูตรเพื่อปรับปริมาตรรูพรุนและการกระจายขนาดรูพรุน สารสร้างรูพรุน-ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยาอะลูมินาอัดรีด ได้แก่ แป้งที่ละลายน้ำได้- โพลีเอทิลีนไกลคอล โซเดียมโพลีอะคริเลต โพลีอะคริลาไมด์ ผงคาร์บอน และโพลีไวนิลแอลกอฮอล์ พวกมันสามารถจำแนกได้เป็นสารสร้างรูพรุนทางกายภาพและทางเคมี-
สารก่อรูปรูพรุนทางกายภาพ- (เช่น แป้ง คาร์บอนแบล็ก ถ่านกัมมันต์ หรือโพลีเมอร์อินทรีย์) จะสลายตัวเป็นก๊าซในระหว่างการเผา การหลุดออกไป และเหลือมาโครพอร์ไว้
สารเคมีที่ทำให้เกิดรูพรุน- (โดยทั่วไปคือเกลืออนินทรีย์ที่ละลายน้ำได้- เช่น สารประกอบฟอสฟอรัส ซิลิคอน หรือโบรอน) จะเปลี่ยนขนาดอนุภาคและสถานะการกระจายตัวของผงอลูมินา ทำให้เกิดอนุภาคทุติยภูมิที่มีขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งจะเพิ่มช่องว่างระหว่างอนุภาค ซึ่งจะทำให้ขนาดรูพรุนกว้างขึ้น
การใช้สารก่อรูพรุนทั้งสองประเภท-ร่วมกันสามารถสร้างผลเสริมฤทธิ์กัน ลดปริมาณที่ต้องการ และหลีกเลี่ยงการกระจายขนาดรูพรุนและการสูญเสียความแข็งแรง
(4) น้ำมันหล่อลื่นและพลาสติไซเซอร์
น้ำมันหล่อลื่น (เช่น ผงฟีนูกรีก กลีเซอรีน) ช่วยลดความต้านทานการเสียดสี ปรับปรุงความเร็วการอัดขึ้นรูป และคุณภาพพื้นผิว พลาสติไซเซอร์ (เช่น โพลีไวนิลแอลกอฮอล์ อนุพันธ์ของเซลลูโลส) ช่วยเพิ่มความเป็นพลาสติกและความสามารถในการขึ้นรูป หมู่ไฮดรอกซิลสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับหมู่อะลูมิเนียมไฮดรอกซิล ซึ่งช่วยเสริมสร้างพันธะ
03 พารามิเตอร์กระบวนการอัดรีด
กระบวนการอัดรีดส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อกระบวนการขึ้นรูปและคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของส่วนรองรับ การขึ้นรูปแบบอัดรีดประกอบด้วยสองขั้นตอน: การนวด (การบด) และการอัดขึ้นรูป ขั้นแรก ให้ผสมผงโบห์ไมต์เทียม น้ำ และสารยึดเกาะให้เข้ากัน จากนั้น ส่วนผสมเปียกที่เป็นเนื้อเดียวกันจะถูกป้อนเข้าไปในเครื่องอัดรีดด้วยแผ่นแม่พิมพ์ที่มีรูหลาย- ซึ่งจะถูกบังคับผ่านรูแม่พิมพ์โดยการอัดขึ้นรูปด้วยสกรูเพื่อสร้างรูปร่างที่มีรูปร่าง (เช่น ทรงกระบอก วงแหวน ไตรโลบ ควอดริโลบ ผีเสื้อ รวงผึ้ง) สิ่งเหล่านี้จะถูกทำให้แห้งและเผาในเวลาต่อมาเพื่อให้ได้สารรองรับอลูมินาขั้นสุดท้าย
(1) กระบวนการนวด (คลุกเคล้า)
เวลาในการนวดส่งผลต่อความสม่ำเสมอของแป้งและโครงสร้างรูขุมขน ระยะเวลาที่สั้นเกินไปทำให้การผสมไม่สม่ำเสมอ การขึ้นรูปยาก และความแข็งแรงต่ำ การนวดเป็นเวลานานทำให้มาโครรูขุมขนยุบตัวเป็นรูขุมขนเล็กลง ทำให้การกระจายขนาดรูขุมขนแคบลง และเพิ่มความแข็งแรง อย่างไรก็ตาม การนวดนานเกินไปทำให้ยากต่อการลอกออก และความแข็งแรงทางกลไม่ดีขึ้นอีกต่อไป นอกจากนี้ การบ่มส่วนผสมที่นวดไว้เป็นระยะเวลาหนึ่งจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลของส่วนรองรับ
(2) กระบวนการอัดรีด
ความเร็วการอัดรีด ความดัน อุณหภูมิ ฯลฯ ส่งผลต่อคุณภาพของตัวเครื่องที่เป็นสีเขียวและรองรับโครงสร้างรูพรุน การอัดขึ้นรูปที่ช้าเกินไปทำให้เกิดการเสียรูปและฟองอากาศในตัวสีเขียว การอัดขึ้นรูปเร็วเกินไปทำให้เกิดรูเข็มหรือข้อบกพร่องอื่นๆ การใช้น้ำหล่อเย็นหมุนเวียนจะควบคุมอุณหภูมิการอัดขึ้นรูป ป้องกันการระเหยของน้ำ และรักษาความเป็นพลาสติก แรงดันอัดขึ้นรูปมีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงกับอัตราส่วนน้ำ-ต่อ-ผง และเป็นพารามิเตอร์สำคัญสำหรับการปรับความหนาแน่นของวัตถุสีเขียว เมื่อกำหนดสูตรและกระบวนการนวดแล้ว กระบวนการอัดขึ้นรูปถือเป็นขั้นตอนสำคัญในการสร้างตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยาอลูมินา ข้อกำหนดเฉพาะสามประการคือ: (1) การตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณสมบัติทางเคมีกายภาพของตัวรองรับแบบอัดเป็นไปตามข้อกำหนดการใช้งาน; (2) ลดการสึกหรอของอุปกรณ์การอัดขึ้นรูป (3) การลดต้นทุนการอัดขึ้นรูปให้เหลือน้อยที่สุด
วิธีการทั่วไปในการควบคุมโครงสร้างรูพรุน
01 วิธีการเผาผนึกด้วยอุณหภูมิต่ำ-
การเติมสารช่วยเผาผนึกที่อุณหภูมิต่ำ- (เช่น สารประกอบจำเพาะ) ส่งเสริมการควบแน่นของหมู่ไฮดรอกซิลที่พื้นผิวบนอนุภาคอลูมินาที่อุณหภูมิต่ำลง ช่วยปรับปริมาตรรูพรุนและขนาดรูพรุนได้อย่างมีประสิทธิภาพ กลไกการขยายรูพรุน-มีดังต่อไปนี้: อะตอมเฮเทอโรอะตอมจากตัวช่วยเผาผนึกที่แทรกเข้าไปในโครงข่ายพันธะ Al–O ขัดขวางพันธะ Al–O ที่เชื่อมต่อถึงกัน ลดแรงตึงผิวของผงอลูมินา และทำให้ผนังรูพรุนพังทลายในระหว่างการเผา ซึ่งเพิ่มขนาดรูพรุน นอกจากนี้ การระเหิดบางส่วนหรือการสลายตัวของสารช่วยเผาผนึกที่อุณหภูมิที่กำหนดจะเพิ่มปริมาตรรูพรุนของส่วนรองรับ -Al₂O₃ วิธีนี้เป็นแนวทางสำคัญในการขยายรูขุมขน
02 วิธีการกระจายตัวของอลูมินา
วิธีการกระจายตัวของอลูมินานั้นค่อนข้างง่าย: การผสมสารตั้งต้นของอลูมินาที่มีลักษณะการกระจายตัวที่แตกต่างกันเพื่อปรับโครงสร้างรูพรุนรองรับ หลักการก็คือว่าสารตั้งต้นโบห์ไมต์หลอก-ที่มีคุณสมบัติการกระจายตัวต่างกันเนื่องจากขนาดอนุภาคต่างกัน จะเปลี่ยนสถานะการอัดตัวเดิมของอนุภาคหลังการผสม อนุภาคละเอียดสามารถให้พื้นที่ผิวจำเพาะสูง ในขณะที่อนุภาคหยาบจะทำให้รูพรุนมีขนาดใหญ่ขึ้น ดังนั้นจึงสามารถได้โครงสร้างรูพรุนที่เหมาะสม ทำให้สามารถควบคุมโครงสร้างรูพรุนได้อย่างมีประสิทธิภาพ