TEKNIK REAKTOR: CONTOH SOAL MENENTUKAN LUAS PERMUKAAN TOTAL, LUAS PERMUKAAN AKTIF, POROSITAS, DAN JARI-JARI PORI RATA-RATA KATALIS

Diketahui Soal Berikut:

Katalis yang terdiri dari 10 wt % nikel pada γ -alumina digunakan untuk mempromosikan reaksi metana katalitik

Sifat penting dari katalis untuk tujuan karakterisasi adalah luas permukaan total, dispersi nikel logam, volume pori, dan jari-jari pori rata-rata. Tentukan masing-masing, menggunakan data eksperimen yang diberikan dalam langkah-langkah perhitungan masing-masing.

Prosedur Penyelesaian

1. Hitung total luas permukaan.

   Pertambahan berat katalis karena adsorpsi fisik nitrogen di bawah berbagai tekanan nitrogen adalah fungsi dari, dan dengan demikian merupakan indikator, luas permukaan total. Tiga kolom pertama dari Tabel di bawah ini menunjukkan berat nitrogen yang teradsorpsi dan tekanan yang sesuai untuk proses percobaan yang dilakukan pada titik didih atmosfer nitrogen cair.

   Cara paling umum untuk menganalisis data tersebut adalah dengan menggunakan apa yang disebut persamaan taruhan. Untuk adsorpsi multilayer, persamaan ini dapat ditetapkan dalam bentuk

   

   di mana W teradsorpsi berat per gram katalis pada tekanan P, P* adalah tekanan uap adsorben, C adalah parameter yang terkait dengan panas adsorpsi, dan Wm adalah berat untuk cakupan monolayer padatan.

   Variabel bernama terakhir adalah yang menarik dalam kasus saat ini, karena mewakili berat nitrogen teradsorpsi yang hanya menutupi seluruh permukaan katalis, internal dan eksternal. (Karena katalisnya sangat berpori, sebagian besar areanya adalah dinding pori dan bersifat internal padatan.)

   Tabel  1.1 Perhitungan BET untuk Prototype Catalyst 

   W, mg/g	P, mmHg	P, kPa		P/P* × 102
   Nota: Biarkan y = P/(P* − P)W, X = P/P*, y = Sx + I. Dengan kuadrat paling sedikit,
   13	6.25	0.83	0.637	0.82
   17	15.6	2.08	1.233	2.05
   20	25.0	3.33	1.700	3.29
   22	34.4	4.59	2.155	4.53
   25	56.3	7.50	3.200	7.41
   28	84.4	11.2	4.462	11.11
   32	163.0	21.7	8.532	21.45

   Sekarang, dari bentuk persamaan, plot P/[W(P* − P)] terhadap P/P* harus menghasilkan garis lurus. Biarkan S dan I, masing-masing, berdiri untuk lereng (C - 1) / (CWm) dan intersep 1/(WmC) dari garis itu. Kemudian, dengan penataan ulang aljabar, Wm = 1/(S + I). Karena pengujian dilakukan pada titik didih atmosfer, P* pada dasarnya adalah 760 mmHg (101,3 kPa).

   Nilai untuk P/[W(P* − P)] dan P/P* muncul di kolom keempat dan kelima pada Tabel 5.1. Penerapan analisis regresi kuadrat terkecil biasa pada plot yang dihasilkan (tidak ditampilkan) menunjukkan S menjadi 0,0377 mg−1 dan saya menjadi 4.05 × 10−4 mg−1. Jadi Wm = 26, 26 mg nitrogen per gram katalis. Ini sama dengan 0,02626/28 = 9,38 × 10−4 g · nitrogen mol. Menggunakan nomor Avogadro, ini adalah (9.38 × 10−4)(6.023 × 1023) = 5,65 × 1020 molekul nitrogen. Akhirnya, molekul nitrogen dapat diambil untuk memiliki luas permukaan 15, 7 × 10−20 m2. Oleh karena itu, luas permukaan katalis (dalam kontak intim dengan nitrogen monolayer) dapat diperkirakan (5, 65 × 1020)(15.7 × 10−20), atau sekitar 89 m2/g.

2. Perkirakan dispersi nikel.

   Hidrogen secara disosiatif menyerap nikel sedangkan hidrogen tidak berinteraksi dengan dukungan katalis dan tidak teradsorpsi secara signifikan dalam kisi kristal nikel. Oleh karena itu, jumlah penyerapan hidrogen oleh katalis adalah ukuran seberapa baik nikel telah tersebar ketika disimpan pada dukungan.

   Pada beberapa tekanan hingga atmosfer, penyerapan hidrogen terbukti konstan, pada 0,256 mg/g katalis, menunjukkan bahwa situs nikel yang terpapar jenuh.

   Jadi, per gram katalis, atom-atom hidrogen teradsorpsi sama dengan (0, 256 × 10−3g) (1/2 mol/g)(2 atom/ molekul)(6,023 × 1023 molekul/mol) = 1,542 × 1020 Atom. Ini juga dapat diambil sebagai jumlah atom nikel permukaan. Sekarang, karena katalis terdiri dari 10% nikel, jumlah total atom nikel per gram katalis sama dengan (0,1 g)(1/58,71 mol/g)(6,023 × 1023 atom/mol) = 1,0259 × 1021 Atom. Oleh karena itu, tingkat dispersi nikel sama dengan (atom nikel permukaan)/(total atom nikel) = (1,542 × 1020)/(1.0259 × 1021) = 0,15. Dengan demikian hanya 15 persen dari nikel yang diendapkan telah tersebar dan tersedia untuk katalisis.

3. Hitung porositas dan jari-jari pori rata-rata.

   Porositas partikel dapat dengan mudah ditentukan oleh pycnometer helium dan porosimeter merkuri. Dalam pycnometer, volume kerangka padat VS diperoleh. Kepadatan kerangka ρS ditemukan dari berat sampel WS:

   

   Total volume sampel VSEBUAH, termasuk pori-pori, dapat ditentukan oleh perpindahan merkuri pada tekanan atmosfer, karena merkuri tidak akan memasuki pori-pori dalam kondisi ini. Kepadatan yang tampak ρSEBUAH, lalu, adalah

   

   Dan porositas ε padatan diberikan oleh

   

   Untuk katalis yang dimaksud, kerapatan nyata adalah 1,3 kg/dm3 dan kerapatan kerangka adalah 3,0 kg/dm3. Oleh karena itu porositas ε = 1 - 1 - 1, 3/3 = 0, 57.

   Volume pori Vp sama dengan porositas dibagi dengan kerapatan nyata: Vp = ∈/ρSEBUAH = 0,57/1,3 = 0,44 dm3/kg = 0,44 cm3/g. Dengan asumsi pori-pori silinder dengan panjang dan jari-jari yang seragam.

   
   

   Jadi