نیکل رنی

Thread Content

نیکل رنی ۱، مقدمه: نیکل رنی از نظر ظاهری یک پودر خاکستری ریز است، اما از دیدگاه میکروسکوپی، هر ذره کوچک در این پودر دارای ساختاری چندوجهی و متخلخل است. این ساختار متخلخل باعث افزایش سطح تماس آن می‌شود؛ سطح تماس بالا منجر به فعالیت کاتالیستی بسیار بالایی می‌گردد. به همین دلیل، نیکل رنی به عنوان یک کاتالیست ناهمگن، به طور گسترده در واکنش‌های هیدروژناسیون در سنتزهای آلی و تولیدات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آنجایی که «رنی» یک علامت تجاری ثبت‌شده متعلق به شرکت گریس کمیکالز است، به طور دقیق، تنها محصولات تولید شده توسط بخش شیمیایی دیویدسون این شرکت می‌توانند به عنوان «نیکل رنی» شناخته شوند. و «کاتالیزورهای اسکلت فلزی» یا «کاتالیزورهای اسفنجی-فلزی» برای نامیدن کاتالیزورهایی به کار می‌روند که دارای ساختار میکروپوری هستند و خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها مشابه نیکل رنی است. ۲. تهیه: در صنعت، آلیاژ فلز نیکل-آلومینیوم مورد نیاز برای تولید رنی‌نیکل، از طریق ذوب کردن فلزات دارای فعالیت کاتالیستی (نیکل، آهن یا مس) و آلومینیوم در کوره به دست می‌آید؛ سپس مذاب حاصل خنک شده و به قطعات ریز و یکنواخت تبدیل می‌گردد. در طراحی ترکیبات آلیاژ، باید به دو عامل توجه کرد. نخست، نسبت ترکیب نیکل و آلومینیوم در آلیاژ است؛ با تغییر این نسبت، در فرآیند خنک‌سازی فازهای مختلفی از نیکل/آلومینیوم تشکیل می‌شوند که دارای خواص حلالیت متفاوتی هستند. این امر می‌تواند منجر به ساختار متخلخل کاملاً متفاوتی در محصول نهایی شود. معمولاً از نیکل و آلومینیوم با جرم‌های برابر برای ذوب کردن استفاده می‌شود. دوم، درصد افزودن فلز سوم است. در فرآیند هموژنیزاسیون، گاهی مقدار کمی از فلز سومی مانند روی و کروم اضافه می‌شود. وارد شدن آن‌ها ترکیب آلیاژ و نمودار فازهای آن را تغییر داده و منجر به خواص اسیدشویی متفاوتی می‌شود؛ در نتیجه، فعالیت کاتالیستی بالاتری ایجاد می‌گردد. به همین دلیل، به آن‌ها «تسریع‌کننده» گفته می‌شود. نمودار فازی نیکل-آلومینیوم، فازهای NiAl3، Ni2Al3 و NiAl را که ارتباط نزدیکی با واکنش‌های خرد کردن دارند، مشخص می‌کند. ۳. فعال‌سازی: فعالیت کاتالیستی بالای نیکل رنی، ناشی از خواص کاتالیستی خود نیکل و ساختار متخلخل آن است؛ این ساختار متخلخل نیز از حذف آلومینیوم از آلیاژ نیکل-آلومینیوم با استفاده از محلول غلیظ هیدروکسید سدیم به دست می‌آید. این فرآیند «خارج‌سازی» نامیده می‌شود. واکنش خارج‌سازی در قالب ساده به شکل زیر است:
۲Al + ۲NaOH + ۶H₂O → ۲Na + ۳H₂
از آنجایی که واکنش خارج‌سازی باعث افزایش فعالیت کاتالیست می‌شود و گاز هیدروژن تولید شده نیز در داخل کاتالیست ذخیره می‌گردد، به همین دلیل به این فرآیند «فعال‌سازی» نیز گفته می‌شود. سطح مقطع کلی محصول نهایی، معمولاً از طریق آزمایش جذب گازها (مانند هیدروژن) اندازه‌گیری می‌شود. آزمایش‌ها نشان داد که تقریباً در تمام سطوح تماس، نیکل وجود دارد. مساحت تماس نیکل در رنی‌نیکل تجاری، به طور متوسط ۱۰۰/گرم است. سه عامل اصلی بر نتایج واکنش استخراج تأثیر می‌گذارند: ترکیب آلیاژ، غلظت سدیم هیدروکسید مورد استفاده، و دمای واکنش استخراج. همان‌طور که پیش‌تر ذکر شد، آلیاژ حاوی فازهای مختلفی از نیکل و آلومینیوم است. در فرآیند لخته‌برداری، آلومینیوم موجود در فازهای NiAl3 و Ni2Al3 ابتدا واکنش داده می‌شود، در حالی که آلومینیوم موجود در فاز NiAl به آرامی واکنش نشان می‌دهد و می‌توان آن را با تنظیم زمان لخته‌برداری حفظ کرد؛ به همین دلیل به آن «لخته‌برداری انتخابی» گفته می‌شود. در نیکل فعال‌شده معمولی، نیکل ۸۵٪ از جرم را تشکیل می‌دهد؛ این بدان معناست که ۲/۳ اتم‌ها، اتم‌های نیکل هستند. آلومینیوم موجود در فاز باقی‌مانده NiAl می‌تواند به حفظ این ساختار متخلخل کمک کند و پایداری ساختاری و حرارتی کاتالیزور را تأمین نماید. غلظت سدیم هیدروکسید مورد استفاده در واکنش خارج‌سازی باید نسبتاً بالا باشد؛ معمولاً باید به ۵ مول بر لیتر برسد. تنها به این ترتیب می‌توان آلومینیوم را به سرعت به سدیم آلومینات محلول در آب تبدیل کرد و از تشکیل رسوب آلومینیوم هیدروکسید جلوگیری کرد. به محض تشکیل رس هیدروکسید آلومینیوم، این رس سوراخ‌های ایجاد شده را مسدود کرده و مانع ورود باقی‌مانده محلول هیدروکسید سدیم به داخل آلیاژ می‌شود؛ در نتیجه، واکنش دادن آلومینیوم باقی‌مانده دشوارتر می‌گردد. این امر منجر به کاهش سطح تماس ساختار متخلخل محصول و کاهش فعالیت کاتالیستی آن می‌شود. ساختار متخلخلی که به تدریج در طول فرآیند استخراج شکل می‌گیرد، تمایل شدیدی به کاهش سطح خود دارد؛ در نتیجه بازآرایی ساختاری رخ می‌دهد و دیواره‌های حفره‌ها با یکدیگر ادغام می‌شوند که منجر به تخریب ساختار متخلخل می‌گردد. افزایش دما باعث تسریع حرکت اتم‌ها می‌شود و گرایش به بازآرایی ساختار را افزایش می‌دهد؛ بنابراین، هم سطح مقطع و هم فعالیت کاتالیستی نیکل رنی با افزایش دمای واکنش لخته‌زدایی کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، اگر دمای لخته‌زدایی بسیار پایین باشد، سرعت واکنش لخته‌زدایی بیش از حد کند خواهد بود؛ لذا دمای معمول برای واکنش لخته‌زدایی بین ۷۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است.