12/6/2008 112/6/2008 1Chemical Engineering 126University of the Philippines

Catalyst Characterization

CHEMICAL ENGINEERING 126:

KINETICS OF HETEROGENEOUS REACTION

12/6/2008 212/6/2008 2Chemical Engineering 126University of the Philippines

Properties to be investigated1. Surface area2. Void Volume3. Density of solid material in the particle4. Distribution of void volume according to void size (pore‐volume 

distribution)

12/6/2008 312/6/2008 3Chemical Engineering 126University of the Philippines

Schematic representation of a typical catalyst pellet comprised of smallporous particles.

Properties to be investigated1. Surface area2. Void Volume3. Density of solid material in the 

particle4. Distribution of void volume 

according to void size (pore‐volume distribution)

12/6/2008 412/6/2008 4Chemical Engineering 126University of the Philippines

The main terms for describing physical catalyst properties are as follows:

• Morphology: steric conditions and topology of the surface• Porosity: share of the hollow space (pore volume) of a catalyst pellet

• Texture: generally refers to the pore structure of the particles (pore size, pore size distribution, pore shape)

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The BET Surface Area

Adsorption isotherms for various gases on a 0.606‐g sample of silica gel.

12/6/2008 612/6/2008 6Chemical Engineering 126University of the Philippines

The BET Surface Area

P/P0

“Point B”

submonolayer

monolayer

multilayer

V

VM

Type IIisotherm

BET area of a catalyst or a catalyst support is one of the first properties one wants to know in catalyst development

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The BET Surface Area

Typical isotherm for physisorption

volume of a gas (usually N2) that givesmonomolecular coverage is measured

Capillary condensation

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The BET Surface Area• BET equation, was derived from a model that extended the Langmuir 

isotherm and included the following assumptions

1. Each adsorbed molecule in the 1st layer serves as a site for the 2nd layer (lateral interactions are ignored).

2. The rate of adsorption (condensation) on any layer (x) equals the rate of desorption (evaporation) from the layer above it (x + 1).

3. The heat of adsorption of the 2nd layer and all those above it equals the heat of liquefaction of the adsorbate.

( )0 0

1 1

m m

P C PV P p V C V C P

−= + ⋅

−BET Model

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The BET Surface Area

( )3

0

10PV P p

×−

0

PP

( )0 0

1 1

m m

P C PV P p V C V C P

−= + ⋅

−

BET Isotherm

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The BET Surface Area

Specific surface areas of catalysts and support materials

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Pore Volume and Pore Size Distribution

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Pore Volume and Pore Size Distribution

• Hg Porosimetry Method

– is used to determine pore volumes and the pore size distribution of larger pores, i.e., those with radii larger than about 10 nm

• N2 Desorption Method

– Is used to determine the distribution of pores with diameters smaller than 20 nm,

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Pore Volume and Pore Size Distribution

100 1 103× 1 104×0

0.1

0.2

0

0.2

0.4

0.6

CumPen cm 3− gm⋅( )⋅ Dist cm 3− gm⋅( )⋅

a P( ) A 1−( )⋅

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Pore Volume and Pore Size Distribution

10 100 1 103× 1 104×0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Yhi cm3gm 1−( ) 1−⋅

Ylo cm3gm 1−( ) 1−⋅

Xhi A1−⋅ Xlo A 1−⋅,

Cumulative Pore Volum

e, cm

3 /g 

Pore radius a, A

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Pore Volume and Pore Distribution

10 100 1 103× 1 104× 1 105×0

2

4

Dist hi cm3gm 1−( ) 1−⋅

Dist lo cm3gm 1−( ) 1−⋅

Xhi A1−⋅ Xlo A 1−⋅,

Pore

Distribution

Pore Radius

micropores macropores