研究人员采取了新的步骤,将氢化转变为安全、低能耗的过程

2021年06月24日 阅读量:2

UJ 研究人员采取了新的步骤,将氢化转变为安全、低能耗的过程。他们使用非常稳定的三相乳液将有毒废物转化为有价值的原料。该过程不需要易燃的压缩氢气。

 

乳液催化在室温下将硝基苯高效加氢生成苯胺。苯胺广泛用于制药工业。之后双金属加氢催化剂完全回收。

 

没有氢化,就不可能制造当今的许多药物。它是制药和化工行业的支柱工艺。但是氢气很贵。防止工厂和实验室爆 炸的安全措施也很昂贵。

但是,如果根本不需要压缩氢气,则可以节省大量成本。这也意味着许多化学过程可以更安全、更容易使用。

 

约翰内斯堡大学的化学家在Colloids and Surfaces 上发表的研究中证明了这一点。

 

他们在 Pickering 乳液中使用催化氢化工艺将硝基苯转化为苯胺。

 

乳液工艺有可能成为比目前使用的更安全的工业氢化工艺。

 

Pickering 乳液已经存在 150 年了。但将它们用于催化直到 2014 年才出现,Reinout Meijboom 教授说。Meijboom 是化学科学系的研究员。

 

像酸奶一样,Pickering 乳液也是一种乳液。这种乳液是易溶于水的颗粒和易溶于油的颗粒的混合物。使酸奶成为 Pickering 乳液的原因在于它还含有酶,酶是不溶解的固体颗粒。

 

硝基苯作为化学制造的废物在全球范围内大量生产。它是世界卫生组织、环保署和疾病预防控制中心等机构描述的一种剧毒、持久性有机污染物。

聚氨酯的制造使用硝基苯作为中间体。它也用作石油精炼的溶剂。染料生产企业的废水中常含有硝基苯。它是一种油性液体,具有火灾危险。

 

苯胺是一种具有重要工业意义的商品。它是大量化学产品的原料,包括许多药物。

 

研究人员设计的过程使用甲苯溶解硝基苯。这形成了该过程的第一相、有机相或甲苯相。对于第二个水相,他们将硼氢化钠溶解在水中。

 

催化剂是该过程的第三阶段。它由改性二氧化硅微球和钯组成。他们还使用了双金属催化剂,其中钯与钴或镍结合。

 

Meijboom 说,如果将三相添加在一起,但不混合成乳液,则该组合可以储存数天或数周。会发生少量氢化,但只有在形成适当的乳液后才能真正进行该过程。

 

催化剂还起到稳定乳化剂的作用。

 

当三相混合成乳液时,催化剂启动氢化过程。乳液的形成需要几秒钟。在实验室规模下,反应需要大约两个小时。

 

氢化所需的氢气由溶解的硼氢化钠提供。加氢在室温下有效进行,从而节省能源。

 

不需要储存或输送的氢气。这消除了过程中的大部分爆 炸风险。

 

Meijboom 说,与单相或两相工艺相比,Pickering 乳液中的三相工艺具有更大的催化表面的优势。

 

可以通过调节 Pickering 乳液体系中甲苯和水相的体积比来调整催化效率。

 

乳液中的每一滴甲苯和硝基苯溶液都有效地变成了一个微反应器。这就是如何调整该过程以使其在室温下有效,他补充道。

 

氢化完成后,所得乳液足够稳定,可在分离出苯胺之前储存几天。

 

Peter Dele Fapojuwo 先生说,这项研究是首次有效使用双金属钯催化剂在水性 Pickering 乳液体系中氢化芳香族化合物。他是该系的研究生研究员。

 

通过在催化剂中加入镍或钴,我们改善了钯在乳化剂表面的分散,他补充道。

 

钯比镍或钴贵得多,因此使用双金属催化剂进一步降低了成本。

 

与传统表面活性剂相比,使用固体颗粒作为催化剂和乳化剂或稳定剂对环境的威胁较小。它们的成分毒性较小,Fapojuwo 说。

 

他补充说,当使用硼氢化钠而不是氢气作为还原剂时,反应平台要安全得多。

 

使用石油衍生的氢气加氢既不完全环保,也不经济。它需要高压氢气,这需要昂贵的反应器设备。这增加了工艺成本,他补充道。

 

理论上,这个过程可以适用于在固定床反应器中保持一相并进行流动合成。结果将是两个不混溶相之间催化反应的连续过程,Meijboom 说。

 

这是原则阶段的证明。我们正在努力推广这个过程,他说。

 

我们设计了一个可以扩展到一系列工业重要反应的过程。

 

通过使用乳液化学,我们拥有了一个系统,其中催化剂、乳化剂、水相和有机相都混合成一个极其稳定的系统,Meijboom 说。

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