04 марта 2016г.
В органической химии проблемы, связанные с катализом, являются на сегодняшний день самыми малоизученными и требуют в большинстве случаев детальных исследований и создания единой теоретической базы.
Разработка каталитических процессов на основе новых катализаторов является сложной задачей требующей экспериментальной и теоретической проработки.
Предлагается новый подход к использованию катализаторов в химических синтезах, основанный на использовании дисперсий наноструктурированных материалов в качестве катализаторов (матрицы разборки), вностимых непосредственно в сырьевые компоненты, и матриц сборки, вводимых на заключительных стадиях синтеза. Использование катализаторов в наноструктурированной форме позволяет исключить использование инертных носителей в виду развитой поверхности контакта. Так для наноструктурированных частиц металлов полученных мицелярным методом и методом испарения металлов в электрической дуге с последующей кристаллизацией из паровой фазы удельные поверхности в зависимости от размера частиц представлены в Табл.1.
Использование катализаторов в виде наноструктурированных материалов позволяет на порядки увеличить удельную поверхность по сравнению с катализаторами на инертных пористых носителях.
При уменьшении размера частиц катализатора его активность возрастает, что объясняется увеличением отношения высокоактивных атомов на поверхности к атомам расположенными внутри частицы с насыщенными химическими связями. Доля «поверхностных» атомов становится все больше по мере уменьшения размера частиц. Для наночастиц практически все атомы «поверхностные», поэтому при уменьшении размера наноструктурированных катализаторов их каталитическая активность возрастает, а при достижении критического размера резко снижается, что объясняется сменой функционального назначения наночастиц – катализаторы становятся реагентами.
Таблица 1
Удельная поверхность наноструктурированных частиц
|
Диаметр частицы, нм
|
Масса частицы, кг
|
Площадь поверхности, м2
|
Удельная поверхность м2/г
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
Мицелярный метод получения
|
|
2
|
7,04×10-23
|
9×10-18
|
511,364
|
|
5
|
1,1×10-21
|
2,25×10-16
|
204,545
|
|
11
|
1,17×10-20
|
1,09×10-15
|
92,975
|
|
17
|
4,32×10-20
|
2,6×10-15
|
60,160
|
|
Среднее значение
|
160,73
|
|
Конденсация из паровой фазы
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
|
10
|
8,8×10-21
|
1,5×10-15
|
170,454
|
|
40
|
5,63×10-19
|
2,4×10-14
|
42,613
|
|
100
|
8,8×10-18
|
1,5×10-14
|
17,045
|
|
Среднее значение
|
49,9
|
При разработке каталитических процессов с использованием наноструктурированных катализаторов наряду с подбором элементов входящих в состав катализатора необходимо иметь данные о влиянии размера частиц на их каталитическую активность, а также учитывать следующие особенности при проведении процессов с нанокаталитическими системами:
1 .Подбор элементов каталитической системы индивидуально для каждого химического процесса на основе определения элементного состава сырьевых продуктов (матрицы разборки) и целевых продуктов (матрицы сборки).
2 .Определение технологических параметров подготовки сырьевых компонентов и полупродуктов для проведения синтеза с матрицами разборки и сборки.
3 .Выбор иммерсионной среды для создания устойчивых дисперсий наноструктурированных материалов.
Использование технологии проведения каталитических процессов с использованием наноструктурированных катализаторов позволяет: проводить процессы в существующей реакционной аппаратуре без введения конструктивных изменений; повысить устойчивость каталитических процессов к изменению технологических параметров (температура и давление); перевести химические процессы, считавшиеся ранее не перспективными с позиции каталитического воздействия, в каталитические.
На основании вышеизложенного нами были разработаны, с использованием матриц разборки сырья и сборки целевого продукта, технологические процессы производства азопигментов. В основе традиционной технологии получения азопигментов на примере пигмента оранжевого «Ж», лака рубинового ВКС и пигмента желтого светопрочного лежат химические реакции диазотирования и сочетания полученного диазосоединения.
При введении на стадии диазотироавния матриц разборки дисперсии наноструктурированных материалов и на стадии азосочетания матриц сборки целевого продукта получены пигмент оранжевый Ж, лак рубинового ВКС и пигмент желтый светопрочный с высокими характеристиками по качеству.
Матрицы разборки сырья в наноструктурированной форме обеспечивает устойчивость диазосоединения к разложению.
Наноструктурированные катализаторы увеличивают скорость процесса азосочетания на 40% и формируют мелкодисперсную форму твердой фазы азопигмента.
Таблица 2
Колористическая оценка опытных образцов азопигментов
|
Наименование опытов
|
Инструментальная оценка в разбеле
|
|
I, %
|
ΔE
|
ΔL
|
ΔC
|
ΔH
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
Пигмент оранжевый Ж
|
|
Традиционная технология
|
100,07
|
2,24
|
0,59
|
0,21
|
2,15
|
|
С применением нанокатализаторов на стадиях синтеза
|
121,50
|
4,31
|
-0,77
|
3,93
|
1,57
|
|
Лак рубиновый ВКС
|
|
Традиционная технология
|
96,2
|
0,82
|
0,38
|
0,11
|
0,34
|
|
С применением нанокатализаторов на стадиях синтеза
|
106,3
|
-0,54
|
-0,46
|
0,05
|
-0,28
|
|
Пигмент желтый светопрочный
|
|
Традиционная технология
|
105,47
|
1,54
|
0,45
|
0,69
|
-0,21
|
|
С применением нанокатализаторов на стадиях синтеза
|
124,12
|
5,12
|
-0,95
|
2,54
|
1,23
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Показатели качества пигментов оранжевого Ж, лака рубинового ВКС и пигмента желтого светопрочного (Табл.2) подтверждают высокую селективность процессов диазотирования и азосочетания пигментов с использованием матриц в наноструктурированной форме.
Список литературы
1. Егорова Е.М. Наночастицы металлов в растворах. Биохимический синтез и применение // Нанотехника. - 2004. - N 1. - С.15-26.
2. Петрик В.И., Способ получения углеродной смеси высокой реакционной способности и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2128624. 1999.
