Как заменить пластик химическим катализатором

В течение года, который уже нанес ущерб производственным цепочкам поставок, производителям и потребителям усложняется еще один дефицит: пластмассы и упаковка для пищевых продуктов, автомобильные компоненты, одежда, медицинское и лабораторное оборудование и бесчисленное множество других предметов, которые от них зависят.

Но новый химический катализатор, разработанный в Мичиганском университете, может позволить производить больше сырья для второго по популярности пластика в мире. Исходное сырье, пропилен, используется для производства пластикового полипропилена — 8 миллионов тонн в год.

Новый катализатор, который может производить пропилен из природного газа, по крайней мере в 10 раз более эффективен, чем существующие коммерческие катализаторы. И это длится в 10 раз дольше, прежде чем потребуется регенерация. Он состоит из наночастиц платины и олова, которые поддерживаются диоксидом кремния.

«За прошедшие годы промышленность перешла с нефтяного сырья на сланцевый газ, — сказал Сульо Линич, профессор химической инженерии Мартина Льюиса Перла, старший автор статьи, опубликованной в журнале Science. «Таким образом, было стремление найти способ эффективного производства пропилена из пропана, компонента сланцевого газа. Этот катализатор достигает этой цели».

Секрет эффективного «неокислительного дегидрирования»

Пропилен традиционно производился на нефтеперерабатывающих заводах в крупных установках парового крекинга, которые расщепляют нефтяное сырье на более легкие углеводородные молекулы. Но крекинг сланцевого газа для производства пропилена оказался неэффективным.

Новый катализатор может эффективно производить пропилен — молекулу с тремя атомами углерода и шестью атомами водорода — из пропана, который имеет два дополнительных атома водорода. Он использует процесс, называемый неокислительным дегидрированием. Одна из причин неэффективности существующих катализаторов заключается в том, что они требуют добавления водорода в процесс. Такого подхода нет.

Ключевым нововведением нового катализатора является то, как в нем используется диоксид кремния в качестве структуры носителя для наночастиц платины и олова, а не оксид алюминия, который используется в нынешних катализаторах.

Оксид алюминия вступает в реакцию с оловом, в результате чего оно отделяется от платины и разрушается катализатор. Поскольку новый катализатор сдерживает эту реакцию, он имеет более длительный срок службы.

• «Кремнезем в качестве основы для наночастиц платина-олово был опробован и раньше, но традиционные методы синтеза не были достаточно точными, чтобы обеспечить тесное взаимодействие между платиной и оловом», — сказал Али Хуссейн Мотагамвала, научный сотрудник Университета штата Вашингтон и первый автор статьи.
• «Мы преодолели это, сначала синтезируя комплекс платина-олово с отличным взаимодействием. Затем мы нанесли этот комплекс на диоксид кремния, чтобы получить очень четко определенный катализатор, который является активным, селективным и стабильным во время неокислительного дегидрирования пропана».

Ключом к коммерциализации будет поиск способа регенерировать катализатор после того, как он загрязняется углеродом. По словам Линича, несмотря на то, что существующие катализаторы недолговечны, химическая промышленность разработала сложную систему, которая может быстро и эффективно регенерировать загрязненный катализатор. Аналогичную систему необходимо будет разработать для нового катализатора.

Стабилизация поставок пропилена

«Строительство заводов, на которых этот процесс будет осуществляться в промышленных масштабах, потребует огромных инвестиций, и по этой причине химическая промышленность, как правило, развивается медленно», — сказал Линич. «Этот катализатор очень хорош, но следующий большой вопрос — регенерация».

Хотя катализатор все еще находится на стадии исследования, он может увеличить мировые запасы пропилена, которые были истощены из-за стремительного роста мирового спроса, производственных проблем, связанных с COVID, и ряда остановок, связанных с ураганом, на нефтеперерабатывающих заводах на побережье Мексиканского залива, которые производят химическое.

Помимо Линича и Мотагамвалы, в команду входят научные сотрудники аспирантов-химиков Раван Алмаллахи и Джеймс Вортман, а также доктор философии в области химического машиностроения кандидат Валентина Омозе Игенегбай.

Источник

Метки: Катализаторы