CC BY
148
УДК 541.128.13:621.2/6
Либерман Е.Ю., Ванчурин В.И., Грунский В.Н., Конькова Т.В., Алехина М.Б. ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ В ТЕХНОЛОГИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Либерман Елена Юрьевна, канд. хим. наук, доцент. E-mail: el-liberman@mail.ru Ванчурин Виктор Илларионович, доктор техн. наук, профессор. E-mail: vanchourin@mail ru Грунский Владимир Николаевич, доктор техн. наук, профессор. E-mail: oxt@muctr.ru Конькова Татьяна Владимировна, канд. техн. наук, доцент. E-mail: kontat@list.ru Алехина Марина Борисовна, доктор хим. наук, профессор. E-mail: mbalekhina@yandex.ru Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Гетерогенный катализ является одним из наиболее наукоемких направлений, которое развивается на стыке химии, физики, материаловедения и биологии. В Российском химико-технологическом университете имени Д.И. Менделеева разработаны учебные планы обучения магистров по направлению 18.04.01 "Химическая технология", которые включают в себя исследование кинетики гетерогенных каталитических реакций, научные основы приготовления катализаторов, методы физико-химического анализа, чтобы обеспечить высокое качество теоретических знаний и умений для решения практических задач.
Ключевые слова: гетерогенный катализ, образование, магистратура;
HETEROGENEOUS CATALYSIS IN TECHNOLOGY OF INORGANIC SUBSTANCES
Lieberman E. J., Vanchurin V. I., Grunsky V. N., Kon'kova T. V., Alekhina M. B. D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia
The heterogeneous catalysis is one of the most knowledge-intensive areas developing at the interface of chemistry, physics, materials science and biology.
In D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia developed the curriculum of masters in 18.04.01 "Chemical technology", which include the study of kinetics of heterogeneous catalytic reactions, scientific bases for the preparation of catalysts, methods ofphysicochemical analysis to ensure high quality of theoretical knowledge and skills to solve practical problems.
Keywords: heterogeneous catalysis, education, master's
На сегодняшний день гетерогенный катализ является одной из самых наукоемких и перспективных фундаментальных областей, которая развивается на стыке химии, физики, математики и биологии. Устойчивый рост в перерабатывающих отраслях связан с широким применением катализаторов. Общий объем мирового рынка катализаторов оценивают примерно в 17,5 млрд. долл. США/год, в России — около 15 млрд. руб./год. Доля каталитических процессов в нефтехимии и нефтепереработке составляет 95—100 % в США и 70—80 % в России [1]. Велика роль катализа также в решении проблем охраны окружающей среды и энергетики. Несмотря на то, что производство катализаторов в РФ давно отнесено к так называемым критическим технологиям, доля импортных катализаторов, поставляемых в страну, неизменно растет и составляет для различных отраслей от 60 % (азотная промышленность) до 90 % (получение бензинов) [2].
С недавних пор наметилась позитивная тенденция развития катализаторной отрасли. Правительство РФ признало, что катализаторы являются стратегическими продуктами, и именно они несут в себе основную научную составляющую технологического процесса и определяют эффективность производства. В России создаются
перспективные технологии с применением новых катализаторов. Для успешной конкуренции с западными технологиями, генерации и продвижения инновационных разработок нужны подготовленные профессиональные и научные кадры.
В РХТУ им. Д.И. Менделеева осуществляется подготовка магистров по направлению 18.04.01 «Химическая технология» по программам «Инжиниринг энерго- и ресурсосбережения в химической технологии», «Технология
неорганических веществ». Профильная
специализация и выпускная научно-исследовательская работа реализуются на кафедрах общей химической технологии и технологии неорганических веществ и электрохимических процессов.
На кафедре общей химической технологии преподается дисциплина «Гетерогенный катализ». На кафедре технологии неорганических веществ и электрохимических процессов преподаются дисциплины «Гетерогенно-каталитические
процессы в технологии неорганических веществ», «Научные основы синтеза катализаторов», «Современные проблемы каталитической очистки сточных вод и газовых выбросов».
Комплекс дисциплин, преподаваемых в РХТУ им. Д.И. Менделеева, обеспечивает
фундаментальную подготовку магистрантов в области современных гетерогенно-каталитических процессов. В процессе изучения дисциплин дается краткий исторический обзор основных достижений в области гетерогенного катализа, в частности в технологии неорганических веществ, а также роль катализа в развитии смежных отраслей промышленности. Изучаются общие сведения о природе действия катализаторов, основные понятия катализа и закономерностях его протекания. Рассматриваются физическая и химическая адсорбция, различия в механизмах вышеуказанных явлений. Содержимое дисциплин охватывает основные теории гетерогенного катализа, раскрывает механизмы каталитических реакций, правила вывода и анализа кинетических уравнений, показывает влияние химического, фазового состава, текстуры, поверхностных свойств и реакционной среды на каталитическую активность, знакомит с типами гетерогенных катализаторов и научными основами их приготовления. Излагаются принципы составления кинетических уравнений.
Рассматриваются физико-химические методы идентификации катализаторов и исследования кинетики каталитических реакций, основные принципы рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, инфракрасной и Рамановской спектроскопии, методов in situ. Изучаются основные типы каталитических процессов: кислотно-основной катализ,
окислительно-восстановительный, катализ на металлах, катализ на оксидах. При исследовании химического процесса внутри зерна и в слое катализатора, расчете и оптимизации режима в промышленных реакторах происходит привитие и закрепление навыков математического
моделирования, как метода научного познания. Рассматриваются каталитические реакторы для промышленных процессов, оптимальные тепловые режимы и схемы реакторов для осуществления простых и сложных реакций.
В процессе изучения курсов магистранты осваивают научный подход к синтезу эффективных катализаторов и физико-химических методов исследования активности и других свойств гетерогенных катализаторов. Важное место в подготовке магистров отведено применению гетерогенного катализа в защите окружающей среды и экологической безопасности химических производств.
Каждый из курсов читается в течение одного семестра, включает лекционный курс, практические занятия и лабораторные работы. Контроль успеваемости магистрантов проводится по рейтинговой системе. Курсы построены по модульному принципу, которые включает в себя логически завершенные и связанные между собой базовые учебные единицы. Каждый из модулей дисциплины обладает специфическим набором требований или компетенций, обозначенных в проектах рабочих программ учебных дисциплин.
Кафедры обладают необходимым научным потенциалом и оборудованием, сотрудничают с рядом научных институтов и заводов, осуществляют разработку и освоение технологии новых катализаторов для различных процессов. В настоящее время ведутся научно-исследовательские работы по нескольким направлениям, например «Синтез и исследование наноструктурированных катализаторов для очистки сточных вод от примесей органических веществ и газовых выбросов от оксидов углерода и азота».
Наибольшее распространение получили каталитические системы нанесенного типа. Как правило, в качестве носителей применяются термостойкие, химически инертные и механически прочные материалы, которые могут быть как природные (глины, пемза, диатомит, асбест и др.), так и синтетические (активные угли, силикагель, алюмосиликаты, оксиды алюминия, циркония и др.). Роль носителя заключается в предотвращении агломерации и спекания активного компонента, что обеспечивает высокую площадь контакта активного компонента.
Многочисленные исследования, проводимые в России и за рубежом, сосредоточены на поиске новых материалов для носителей -термоустойчивых, механически прочных,
обладающих низким гидравлическим
сопротивлением и выдерживающим высокие удельные нагрузки, что обеспечивает длительный ресурс работы.
По совокупности характеристик носителей перспективными носителями являются
высокопористые ячеистые катализаторы (ВПЯК) [3]. Несмотря на то, что они известны с середины ХХ века, ведутся активные исследования, направленные на разработку способов получения композиционных ВПЯК с заданными характеристиками для применения в различных областях химической промышленности. Технология получения ВПЯК включает стадию получения керамического каркаса - высокопроницаемого ячеистого материала (ВПЯМ) методом дублирования сетчато-ячеистой
полимерной матрицы, определяющей
пространственную структуру носителя (рис. 1).
Нанесение пористого слоя в виде у-А1203 позволяет увеличить пористость и удельную поверхность носителя (ВПЯН) в 100 раз.
Суть процесса получения ВПЯК заключается в нанесении на подготовленную внешнюю поверхность ВПЯН каталитически активного компонента, оксидов й-и /-элементов. Как правило, количество нанесенного активного компонента не превышает 5 мас. %. Согласно адсорбционным измерениям текстурных характеристик
катализаторов, в результате импрегнирования оксидов переходных металлов пористая структура носителя практически полностью сохраняется.
На рис. 2 приведен электронно-микроскопический снимок поверхности
катализатора состава, мас. %: Се02 - 45, Мп02 - 46, СГ2О3 - 9.
Рис. 1. Структура ВПЯМ.
Рис. 2. Электронно-микроскопический снимок поверхности катализатора Се02 - 45 мас.%, Мп02 - 46 мас. %, Сг203 - 9 мас. %,(увеличение 5000 раз).
Проведенные электронно-микроскопические исследования поверхности катализаторов показали, что в процессе импрегнирования образуется достаточно равномерное покрытие. Частицы Се02 -Мп02 - Сг203 имеет сферическую форму, характерную для соединений, полученных термолизом нитратов соответствующих солей. Средний размер частиц составляет около 2 мкм.
Исследование каталитических свойств показало, что полученные катализаторы проявляют достаточно высокую активность в процессе детоксикации смеси оксидов азота и углерода.
Катализаторы на основе ВПЯМ, содержащие в качестве в качестве активного компонента оксиды железа и кобальта в количестве 1 мас. %, были исследованы для окисления органических веществ в водных растворах в процессе Фентона. Процесс Фентона основан на каталитическом эффекте разложения пероксида водорода в присутствии ионов переходных металлов с образованием НО« и НОО« радикалов, способных окислять органические вещества. По своей окислительной силе эти радикалы значительно превосходят озон, и уступают только фторид-радикалу.
Каталитическую активность образцов изучали в реакции окисления пероксидом водорода органического красителя азорубина в водных растворах. Железосодержащий катализатор проявил высокую активность и стабильность в процессе каталитической деструкции органических веществ. Кобальтсодержащий катализатор, несмотря на высокую активность, не может применяться для очистки сточных вод от органических субстратов, поскольку оказался неустойчивым к вымыванию активного компонента в раствор.
Разрабатываются и проходят промышленные испытания крупноформатные катализаторы блочной и ячеистой структур для очистки отходящих газов предприятий и автомобильных выхлопов от оксидов азота, углерода и углеводородов.
Не менее важно направление научных исследований, связанное с разработкой импортозамещающего катализатора традиционной зернистой формы для дегидрирования циклогексанола в производстве капролактама.
Список литературы
1. Брыкин А.В., Артемов А.В., Колегов К.А. Анализ рынка редкоземельных элементов (РЗЭ) и РЗЭ-катализаторов.// Катализ в промышленности. — 2013. — №4. — С.7-15.
2. Голосман Е. З._Инженерная и научная элита на Менделеевском съезде в Екатеринбурге и размышления о науке и образовании // ХХ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. 26-30 сентября 2016 г. Статья размещена на сайте Российской инженерной академии и Международной инженерной академии www.info-rae.ru
3. Либерман Е.Ю., Конькова Т.В., Грунский В.Н., Малютин А.В., Кошкин А.Г., Михайличенко А.И., Румянцева О.В. Высокопористые ячеистые катализаторы (ВПЯК) для решения экологических проблем.//Экология и промышленность России. — 2013.— № 4. — С. 16-19.
