Проблемы и современные тенденции катализа

Значение катализа и каталитических процессов в химической технологии.

1) Интенсифицикация химических превращенийв результате применения катализаторов, включая такие реакции, которые без катализатора не протекают с заметной скоростью.

Например, для реакции образования метанола:

CO + 2 H₂ CH₃OH

степень превращения синтез газа в метанол ограничивается обратимостью реакции и на современных установках не превышает 4% за цикл. Применение полифункциональных катализаторов ZnO и ZnCr₂O₄ позволяет ускорить реакцию (при этом в равной степени ускорится и обратная реакция), степень конверсии не изменится, но увеличится суммарный выход продукта за определенное время (за счет уменьшения времени цикла).

2) Увеличение селективности химического процесса за счет применения би- и полифункциональных катализаторов, которые могут катализировать процесс по нескольким механизмам.

Например, При каталитическом крекинге с использованием алюмокремниевых, кремниевых и других катализаторов кислотной природы процесс протекает до углеводородов с низкой молекулярной массой. Использование цеолитов ― молекулярных сит ― позволяет увеличить селективность процесса и, следовательно, выход наиболее ценных продуктов.

3) Регулировка пространственного строения молекул.В реакциях, приводящих к образованию полимеров, можно регулировать их пространственное строениеи этим влиять на их физико-химические свойства.

Например, при полимеризации бутадиена используется катализатор Циглера-Натта (Al(C₂H₅)₃ ∙ TiCl₄):

H H CH₂ CH₂~ — цис-1,4-полибутадиен (является

C = C C = C целевым, т.к. близок к натур. каучуку)

~H₂C CH₂ H H

H CH₂ H CH₂~ — транс-1,4-полибутадиен (является

C = C C = C побочным)

~H₂C H CH₂ H

Проблемы и современные тенденции катализа

1 раз в 2 года в различных городах Европы проводится конгресс по катализу EUROPACAT, например, EUROРСАCAT-V (2001, Ирландия), VI ― (2003, Австрия), VII ― (2005, Болгария), VIII ― (2007, Финляндия) , XI ― (2009, Испания), X ― будет в 2011 г. (Шотландия).

Например, общее число зарегистрированных участников Конгресса Europacat-VIII составило 1500 человек из 56 стран, в том числе 79человек из Российской Федерации. Выступление с пленарными или ключевыми докладами, которые делаются по приглашению Оргкомитета конгресса или конференции, всегда рассматривается как знак признания успехов того или иного ученого.

Таблица 1. Доля докладов на Europacat-VIII, представленных от РФ

Как видно из табл. 1, Российские ученые представили на Конгрессе 1 пленарный, 2 ключевых, 7 устных и 112 стендовых докладов. Один пленарный и два ключевых доклада от РФ являются вполне успешными показателями. Но наша доля в более массовых, но также престижных, устных докладах, которые отбираются экспертами в условиях жесткой конкуренции, выглядит весьма скромной и составляет лишь 3,7% от общего числа устных докладов.

Таблица 2 - Места, занимаемые странами по числу устных докладов и участников

Если по числу участников мы занимаем 6-е место, то по числу устных докладов всего лишь делим с Великобританией 9-10 места (табл. 2). Недостаток устных докладов едва ли может компенсироваться значительно большей долей наших стендовых докладов (8,7 %). Такие доклады обычно принимаются без отказа, и им не придается большого веса на крупных конференциях.

Пленарные доклады отражают наиболее актуальные современные проблемы в области катализа. О них можно судить, например, по названиям 6 пленарных докладов, сделанных на Конгрессе Europacat-IX:

1. Энрике Иглесиа (Беркли, США)

Наноструктуры и наночастицы в катализе.

2. Габриэле Ченти (Университет Мессины, Италия)

Катализ в зеленой химии на примере перекиси водорода.

3. Авелино Корма (Институт Химической технологии, Испания) Разработка моно- и полифункциональных катализаторов и процессов.

4. М.С. Ригутто (Центр Исследований и Технологий фирмы Шелл, Амстердам, Нидерланды)

Переработка углеводородов – сегодняшние и завтрашние задачи катализа.

5. Дж. Лерчер (Технический университет Мюнхена, Германия). Активация алканов.

6. Пьер Галлезот (IRCELION, Лионский университет, Франция) Конверсия биомассы в химические продукты.

Авелино Корма (доклад № 3) выступил в качестве лауреата награды имени М.Будара, великого каталитика 20 века. Эта награда присуждается Европейской ассоциацией каталитических обществ химику, работающему в области катализа, работы которого за последние 5 лет были наиболее высоко оценены мировым сообществом. Работы А.Корма в области синтеза и применения разнообразных моно- и полифункциональных катализаторов опубликованы в таких престижных междурародных журналах, как Nature, Angewante Chemie, Journal of Catalysis и т.д. Лауреат получает право и материальные возможности в течение года выступать с лекциями в различных странах мира.

Обобщая материалы конгрессов можно обозначить приоритетные направления развития современной каталитической науки:

I) Экологическая направленность — катализ для охраны окружающей среды. Известно, что катализ является одним из краеугольных камней зеленой химии, поэтому, безусловно, все представленные на конгрессе доклады и сообщения вносят свой вклад в решение задачи устойчивого развития всего мира.

I Международная конференция Международного союза по чистой и прикладной химии (ИЮПАК) по зеленой химии - химии в интересах устойчивого развития состоялась в 2006 г. в Дрездене, Германия. В работе конференции приняли участие более 450 ученых и специалистов фирм из многих стран мира.

Один из основателей зеленой химии Р. Шелдон (Дельфт, Нидерланды) выступил с докладом "Катализ и зеленая химия: ключ к устойчивому развитию", в котором неоднократно подчеркивал, что широкое внедрение катализа не только в процессы основного химического синтеза, но и в процессы тонкого органического синтеза, в том числе в производство медикаментов, позволит снизить суммарное количество образующихся отходов и увеличить атомную эффективность до приемлемых, с точки зрения экологии, величин.

1) Развитие каталитических процессов утилизации отходов (end - of -pipe technology);

2) Разработка безотходных каталитических процессов (catalysis for green chemistry);

3) Каталитическая очистка воздуха, воды, выхлопных газов автомобилей и т.д. от загрязнителей, наносящих ущерб окружающей среде.

Например, гетерополикислоты на основе молибдена были использованы в качестве катализаторов для получения дизельного топлива с нулевым содержанием серы (deAngelis A. и др., Италия). Окисление диметилдибензотиофенов проводили с использованием трет-бутилгидропероксида в качестве окислителя и иммобилизированных на оксиде алюминия гетерополикислот в качестве катализаторов.

4) Развитие биокаталитических процессов (биомиметический катализ, биокатализ).

Например, ферменты ― катализаторы применяются для активации процесса окисления молекул парафинов. Лекция В. Визолт (Цюрих, Швейцария) на тему "Вклад биокаталитичских процессов в промышленную зеленую химию" на I Международной конференции Международного союза по чистой и прикладной химии (ИЮПАК) по зеленой химии познакомила слушателей с проблемами крупномасштабного применения оксигеназ с целью биоокисления или биогидроксилирования алифатических, ароматических и гетероциклических соединений. Поскольку применение оксигеназ требует для нормального функционирования присутствия доноров электронов, оно осуществляется растущими микроорганизмами, которые содержат требуемые ферментативные компоненты и способны регенерировать ко-факторы в процессе роста. Для этого требуются рекомбинантные организмы, оптимизированные для применения в промышленных биореакторах и нацеленные на определенный тип реакций. Эта задача связана с созданием ограниченного круга высокопроизводительных организмов - "хозяев", в которые затем можно ввести разработанные биокатализаторы. Развитие таких систем - дело ближайшего будущего.

II) Возрастание роли высокоорганизованных каталитических систем ―нанокатализ; нанокатализаторы (nanocatalysts) обладают высокой каталитической активностью, селективностью, стабильностью. Высокая эффективность нанокатализаторов обусловлена уникальностью процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации, происходящих при наноструктурировании и химических реакциях в наносистемах, а также особенностями морфологии и энергетики развитых поверхностей наночастиц. Применение новых высокоэффективных нанокатализаторов способствует улучшению экологических характеристик процессов и технологий в промышленности, энергетике и на транспорте, снижению вредных выбросов в атмосферу, позволяет создавать экологически чистые виды альтернативных энергоресурсов, новые продукты и материалы.

Например, специалистами “Института прикладной нанотехнологии” предложен новый путь снижения эмиссии вредных веществ с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Эффект достигается за счет использования растворимых в моторных топливах производных мочевины вместе с наноразмерными частицами соединений редкоземельных металлов.
Технология, получившая название Urea & NanoCatalyst in Fuel Technology, не требует внесения изменений в конструкцию системы подачи топлива двигателя и изменений в технологии заправки топливом на АЗС.

На основе данной технологии разработан нанокаталитический аддитив FaberOx™ , в состав которого входит дисперсия в органическом растворе производных мочевины (urea derivatives) нанокапсулированного диоксида редкоземельного металла, органические нанокомпоненты. Аддитив добавляется непосредственно в моторное топливо любого типа и обеспечивает понижение температуры оптимального горения топливной смеси и дополнительный резерв кислорода для ее более полного сгорания (особенно на последних стадиях процесса).

На основе FaberOx™ и других химических композиций разработаны препараты автомобильной химии – функциональные добавки к бензинам и дизельным топливам:

а) нанотюнинг топлива – добавка к бензину для любителей спортивного стиля езды – способствует увеличению мощности двигателя, снижению расхода топлива и токсичности выхлопа, очищает топливную систему, стабилизирует работу системы в целом;

б) наноочиститель инжекторов бензинового двигателя – очищает систему подачи топлива от отложений и нагара, способствует удалению губчатых образований с впускных клапанов и нагара со стенок камеры сгорания; облегчает запуск и хорошую приемистость двигателя, снижает износ и повышает защиту деталей от коррозии; обеспечивает более “чистое” горению бензина – снижает его расход и токсичность выхлопа;

в) наноочиститель форсунок дизеля – обеспечивает очистку распылителей, топливной аппаратуры и стенок камеры сгорания от углеродистых отложений и нагара; способствует легкому запуску двигателя, восстановлению распыла топлива и мощности дизеля, снижению износа, защите от коррозии, снижению расхода топлива и токсичности выхлопа;

г) наноочиститель каталитического нейтрализатора – очищает нейтрализаторы выхлопных газов бензиновых двигателей, электроды кислородного датчика (лямбда-зонда); способствует повышению приемистости двигателя, снижению расхода топлива и токсичности выхлопа, увеличению срока службы нейтрализатора.

Поиск по сайту: