반응공학 - 촉매와 흡착현상

1. 촉매(Catalyst)

 : 촉매란 반응속도에는 영향을 주지만 공정에서 자신은 변화하지 않는 물질을 말한다.

 

ex) 기체상태의 수소와 산소는 상온에서 비활성이나 백금 존재하에서는 급격하게 반응함

 

1) 촉매의 특성

① 촉매는 생성물의 생성속도를 빠르거나 느리게 할 수 있다.

② 촉매는 단순히 반응속도만을 변화시키며 평형에는 영향을 미치지 않는다.

 

③ 불균일 촉매 반응

 - 2개 이상의 상이 수반되며 일반적으로 촉매는 고체, 반응물은 액체 또는 고체이다.

 - 불균일 촉매 반응은 유체 - 고체 간의 계면 또는 매우 근접한 계면에서 일어난다.

 - 기체와 액체 사이의 반응은 일반적으로 물질전달속도가 전체의 생산속도를 결정시킨다.

 

 

2) 기체 - 고체 촉매 상호작용

① 흡착(Adsorption)

 - 촉매반응이 일어나기 위해서 반응물이 표면에 부착되어야 한다. 이렇게 표면에 부착되는 것을 흡착이라 한다.

 

 - 물리흡착 : 응축과 비슷하며 어느정도 거리까지 작용하는 물리적인 흡착을 말한다.

 

 - 화학흡착 : 화학반응속도에 영향을 미치는 흡착을 말한다.

 

② 물리흡착과 화학흡착의 비교

구분	물리흡착	화학흡착
흡착제	고체	대부분 고체
흡착질	임계온도 이하의 기체	화학적으로 활성인 기체
온도범위	낮은 온도	높은 온도
흡착열	낮음	높음
흡착 속도(활성화 에너지)	매우 빠름( Ea값 낮음)	활성흡착이면 Ea값 높음
흡착층	다분자 층	단분자 층
온도 의존성	온도증가에 따라 감소	다양함
가역성	가역성이 높음	가역성이 낮음
결합력	반데르발스 결합, 정전기적 힘	화학결함, 화학반응

 

 

 

 

2. 촉매반응단계

- 총괄반응속도는 반응 메커니즘에서 가장 느린 단계의 속도에 의해 한정된다. 이때 가장 느린 단계를 율속단계라 한다.

확산단계가 반응단계에 비해 매우 빠를 때는 전달확산단계들은 총괄반응속도에 영향을 미치지 않는다. 하지만 반응단계가 확산단계에 비해 훨씬 빠르다면 물질전달이 반응속도에 영향을 미치게 된다.

 

1) 촉매반응의 단계

① 벌크유체에서 촉매입자의 외부 표면으로 반응물 A의 물질 전달 (확산)

 

② 촉매세공을 통한 세공 입구에서 촉매 내부 표면 가까이로 반응물 확산

 

③ 촉매 표면 위의 반응물 A의 흡착

 

④ 촉매의 표면에서 반응( A → B )

 

⑤ 표면에서 생성물(B)의 탈착

 

⑥ 입자 내부에서 외부 표면에 있는 세공입구까지 생성물 확산

 

⑦ 입자 외부 표면에서 벌크 유체로 생성물의 물질 전달