在催化剂的开发过程中,围绕催化剂的机械强度曾进行了一些研究,并与催化剂的活性和显微结构的优化结合在一起.实际生产表明,一些催化剂在生产工艺由机械混合法向共沉淀法发展的过程中,催化剂的活性、比表面和机械强度均沿这一顺序增加.前人为了提高催化剂机械强度,除进行工艺改进以外,主要工作集中在成型和热处理两个过程优化上.
催化剂成型是由粉体经打片或挤条等步骤制成具有特定形状颗粒的过程,它是催化剂得到强度的重要过程之一.在打片成型中,影响催化剂强度的最主要因素是物料性质和打片压力.朱洪法研究表明,挤条粉料的晶相、粒度分布均影响成型后的机械强度.Gupta等认为打片前物料的粒度分布不仅影响机械强度,还影响催化剂的活性、比表面和孔分布,而对密度没有影响.李大东等研究了氧化铝挤出成型中机械强度的影响因素,发现原料粉颗粒度、物料中水粉比、胶溶剂和助挤剂、捏合周期长短等对产品机械强度有很大影响.赵野等讨论了分子筛成型中类似的影响因素.Gupta等认为,对于铁基变换催化剂,打片前物料的最佳湿含量为3.5-4.0 wt.%,而对于铜基低温变换催化剂则为9.0-9.5 wt.%.Vlaev发现,适量硝酸的加入不仅能提高氧化铝载体的强度,而且很好地改善成型物的孔隙分布.王桂茹等考察了酸浓度对催化剂孔容和强度性能的影响.Ovsyannikova等发现,在氧化铝中加入镁能明显提高载体的机械强度,认为加入的镁有一部分处在晶格缺陷部位,从而使强度得以提高.Furen等首先意识到,机械应力的过渡积累会使机械强度降低.Brasoveanu等用X光衍射实验证实了打片过程中催化剂内部机械应力的积累,并表明,催化剂的机械强度随打片压力的增加出现一个峰值,超过最佳压力后,将随打片压力的增加而下降.李永丹等采用序贯实验的设计思想,对铁基高温变换催化剂打片成型中的影响因素,如打片压力、粉体湿含量、粉体的粒度等进行了分析,发现高温变换催化剂的机械强度可以采用序贯实验的方法进行优化.一轮优化实验得到了侧压强度为103 kg/片的催化剂.这一优化过程没有引入影响活性的物质,在保持活性的同时极大地提高了催化剂的机械强度.这一结果还表明,各种因素间有很强的交互作用.
催化剂母体的煅烧是个十分复杂的过程,在此低价氧化物将氧化为高价,并脱去各组分的结合水和其它烧失物,同时也会相互作用形成新的氧化物结晶.高温下,还会由于一次粒子的粘结、融合和交联作用,形成某种形式的二次结构.煅烧过程对粉体性质的变化,将会导致催化剂强度的增减及强度可靠性的变化.韦洪基认为成型前后两次煅烧对机械强度最有利.Fedorov发现煅烧温度对氧化铝强度的影响曲线出现多个极值点,认为这是由于原料脱水及发生相变所导致的结果.洪才兴等对铁基变换催化剂物料的焙烧条件分析表明,在生产过程中控制煅烧后物料的晶相有利于维持还原前后催化剂强度的稳定.赵延昌认为,采用微波炉煅烧铁基变换催化剂可以提高机械强度.对于煅烧后成型的铁基高温变换催化剂,李永丹等认为煅烧温度、升温速率、煅烧前湿含量、煅烧时间等四个因素是影响成型后催化剂机械强度的主要因素.采用D-最优设计实验的方法,选择工业上常用的煅烧条件范围为因素区间,分析了这四个因素对成型后催化剂机械强度的影响.结果表明,四个因素对催化剂的机械性能均有显著影响,其中煅烧温度、升温速率、煅烧时间在所在区间内存在最佳值,而煅烧前湿含量在所在区间存在最差值.据此结果李永丹指出,国内高温变换催化剂在机械强度提高方面存在巨大潜力,生产过程通过优化可以得到比进口催化剂机械强度可靠性高得多的产品.