Дипломдық ЖҰмыс мыс-алюминий катализатордың қатысуымен ксилозаның тотықсыздануы Орындаған Аманбаев Дархан Нуридуллаұлы

МАЗМҰНЫ

КlРlСПЕ.....................................................................................................................4

1. Әдеби шолу……………………………………………………............................6

1.1. Көмiрсулардың гидрлеу үшiн қолданылатын катализаторлар………..........6

1.1.1. Тасымалдауыштардағы никельдi катализаторлар........................................6

1.1.2. Құйма катализаторлары……………………………………..........................11

1.1.3. Гидрлеудегi мыс катализаторлары…………………………………………14

1.2. Көмiрсулар гидрлеудің кинетикасы және механизмi………………….....17

1.3. Әдебиеттiк шолуға қорытынды……………………………….........................29

2. Эксперименттiк бөлiм………………………………………………...................30

2.1. Қолданылатын құралдар………………………………………........................30

2.2. Құймаларды дайындау және сiлтiлеу әдiстерi…………………....................30

2.3. Көмiрсулар гидрлеуіне тәжiрибе жасау әдiстерi………………....................32

2.4. Гидрлеу процесін жүргізудегі қажетті қондырғы....................................... 34

Ксилозаның гидрлеу процесі.

Алғаш рет ксилозаның гидрлеу процесін жүргізіп полиолдарды алдық.

Гидрлеу, хроматография, Макэн-Шоорль және Бертран әдістері.

Нәтиже негізінде: көпатомды спирттер ксилозадан алынған түрлі модифицирленген катализатордың қатысуымен өндіріс салаларында қолдануға болады.

Көп атомды спирттердiң алынуының ең негiзгi жолдары, көмiрсулардың сутекпен әрекеттесуi (гидрленуi) және гидрогенолизi болып есептеледi. Көмiрсулардың химиялық технологиясы шын мәнiнде әлi зерттелмеген жоғарғы потенциалдық мүнкiндiктерге ие.

Азық-түлiк ретiнде қолданылмайтын, құрамында көмiрсутегiлер бар шикiзат-полисахаридтер, олар төменгi сапалы ағаштардың, жұмсақ жапырақты ағаштардың, ағаш қалдықтарының және мақтаның құрамдарында жүздеген миллион тонна кездеседi және дәстүрлi химиялық шикiзатқа қарағанда бұл шикiзаттар жыл сайын жаңарып отырады. Сондықтан бұл көмiрсутегiлерге химиктердiң көп көңiл бөлуi жайында сұрақ туындады.

Бұл жұмыстағы құбылыстардың ең маңызды түрлерiнiң бiрi болып ксилозаның химиялық түрленуi – гидрлеу болып табылады. Сонымен қатар полиолдардың қасиеттерi мен қолданулары жөнiндегi мәлiметтер қарастырылады.

Қ.А.Ясауи атындағы Халықаралық Қазақ-Түрік университетiнiң Шымкент институтының лабораториясында көмiрсулардың оның iшiнде ксилозаның гидрленуi үшiн тиiмдi катализаторлар зерттелдi.

Сонымен қатар әр түрлi жағдайлардың химиялық процестерге әсер етуi қарастырылып және оларда жүретiн химиялық реакциялардың түрлi механизмi мен оларды жүргiзуге арналған құрал жабдықтар зерттелдi.

Көмiрсутектердiң гидрлеу процесі үшiн қолданылатын катализаторлардың зерттелу тарихы 1912 жылдан басталады, бұл жылы В.Н.Ипатьев алғаш рет көмiрсутектердiң тотықсыздануын ашты.

Алғашқы катализаторлар ретiнде платина тобының металдары қолданылған. Бiрақ олар өте бағалы металдар болғандықтан, ғалымдардың алдындағы ең басты мақсат арзан әрi экономикалық жағынан пайдалы және тиiмдi катализаторларды табу болды. Сонымен қатар бұл қолданылатын катализаторлардың активтiлiгiн және сапасын жоғарылату нәтижесiнде промоторларды ендiру басты мақсаттардың бiрi болып табылды.

Гидрлеу катализаторлар жайында толық мағлұматтар алу үшiн, бұрын және қазiргi уақытта зерттелiп жүрген қарапайым топтардағы катализаторлардың қасиеттерiн толық қарастыруымыз керек.

Бұл топтағы ең толық зерттелген катализатор болып кизельгурдегi никель (Ni) катализаторлары болып есептеледi.

Бұл катализаторларды ең алғаш толық зерттегендер Натта Т., Ричамети Р. және Беати Б. /31/ Олар ксилоза мен крахмалды кизельгурда тұндырылған никель (Ni) катализаторларын (Ni-Cr; Ni-Cu; Ni-Co) қолдана отырып ыдыратады.

Бұл авторлардың ұсынысы бойынша глицерин мен гликольдiң екi сатыда алынуы көрсетiлген. Тәжiрибе кезiнде алғашқы температура Т=403-433К болды, кейiнiрек температураны 493К дейiн көтердiк.

Көмiрсулардың гидрлеудің кизельгурдегi никель катализаторлары арқылы жүруi жайындағы алғашқы жалпы мәлiметтердi Ревердин А. /33/ жасады. Сiлтiнi қоспаған жағдайда, ксилозаның гидрлеуi кезiнде реакция өнiмдерi ретiнде глицерин, гликольдер, сонымен қатар әр түрлi бутантриолдар, гексантриолдар және гексанпентоздар алынды. Бұл гидрлеудiң нәтижесiнде глицериннiң өнiмi салыстырмалы түрде төмен-32%. өнiмнiң мұндай төмен шығуы сiлтi қоспағаннан болуы мүмкiн.

Сишковтiң және Ханзидiң /41/ жұмыстары кизельгурдегi никель (Ni) катализаторларын қолдануға арналған.

Бұл жұмыстың авторлары процестiң келесi сызбасын ұсынды.

Бұл сызбанұсқаның ең басты жетiстiгi, бұл жерде барлық реакция өнiмдерiнiң түзiлуi түсiндiрiледi.

Кейiннен жасалған зерттеулердiң көрсеткiшi құрал – жабдықтардың маңыздылығымен және процестің тиiмдi жүру жағдайымен, сонымен қатар тасымалдауыштардың табиғатының әсерiмен ерекшеленедi.

Нечаев Н.А және бiр топ зерттеушiлер /31/ лабораториялық жағдайларда Ni-Cu катализаторын никельдiң (Ni) және тасымалдауыштың әр түрлi мөлшерiнде зерттедi. Глюкозаның жоғарғы активтiлiк және селективтiлiк жағдайындағы гидрленуi Ni-Cu катализаторының қатысында (Ni-17%,Cu-10%), лабораториялық жағдайда 493К температурада өтедi. Алынған гидрогенизат 38% глицериндi, 30% гликольдердi, шамасы-93% спирттердiң құрғақ заттарын құрайды. Балансты зерттеулер кезiндегi көмiрсутек гидрлеудің нәтижесi бойынша Ni-Cu (Ni-16%,Cu-10%) және кизельгурлi –никель катализаторларының көрсеткiшi бойынша, бiрiншi катализаторды қолданған жағдайда глицерин өнiмi, екiншi катализаторды қолданған жағдайдағы глицерин өнiмiнен 3,9% есе жоғары. Спирттердiң қосындысы бойынша салыстырғанда екi катализаторда да бiрдей көрсеткiштер алынған, бiрақ Ni-Cu катализаторы төменгi активациялық температурасына ие (773К орнына 623К ие) сонымен қатар бағалы никельдiң (Ni) құрамымен ерекшелiнедi.

Көмiрсутектердiң гидрленуiмен бойынша айналысатын көптеген ғалымдардың жұмыстары: катализаторлардың катализдiк активтiлiгi олардың химиялық құрамы мен катализатордың дайындалу жағдайына байланыстылығын, катализаторға ендiрiлген металдардың электрондық құрылысы мен табиғатына байланыстылығын, металл – сутек байланысының энергиясына, кристалл торларының мөлшерiне және металдан электронның шығу жұмысына, катализатор буларындағы сутегiнiң санына және жағдайына байланыстылығын айқындайды.

Кейбiр химиктердiң ұсынысы көмiрсутектердiң гидрлеуді рН<7 ортада сiлтiлiк металдарының фосфаттарының, сульфаттарының, ванадаттарының қатысында жүргiзу болып табылады, себебi мұндай жағдай көмiрсутектердiң айырылуына әсер етiп, алынған өнiмдердiң, глицериннiң және гликольдердiң ары қарай ыдырауына кедергi жасайды.

Зерттеулерi бойынша тасымалдауыштың табиғаты мен катализатордағы никельдiң мөлшерi өнiмнiң алынуына және металл никельдің (Ni) беттiк ауданына әсер ететiнi анықталды. Реакциядағы бастапқы заттардың химиялық табиғаты және тотықсыздану жағдайы тасымалдауыш қатыспаған жағдайда да беттiк ауданға әсер ететiндiгi зерттелдi. Беттiк ауданға температура және реакциядағы бастапқы заттардың дисперстiк дәрежесi әсер етедi. Бастапқы заттардың ыдырауы кезiнде дисперстi дәреженiң жоғарылауымен қатар беттiк ауданның өсуi байқалады. Кейбiр зерттеулер үшiн бұл өзгерiстердiң маңызы зор.

Ыдырау нәтижесiнде никельдiн оксалат, ацетат және формиат өнiмдерi түзiлген кезде никельдiң (Ni) беттiк ауданы, гидрокси және негiзгi никель (Ni) карбонаты түзiлген кездегi никельдiң (Ni) беттiк ауданынан төмен. Бұл айырмашылықтар химиялық процестердiң осы заттарды қыздыру ерекшелiктерiне байланысты. Бұл зерттеу тобының мәлiметi бойынша қосымша заттар дисперстiлiгiн жоғарылатқанымен әсер ету механизмi әр түрлi болып қалады. Мысалға, егер алюминий тотығымен хромның тотығын никельдiң артық тотығы (зикисi) арқылы әрекеттестiргенде қиын тотықсызданатын қосылыстар түзiледi. Бұл қосылыстар никель (Ni) металының тасымалдауыш қызметiн атқарады және оның пiсiп кетуiне кедергi жасайды. Цирконий тотығы никельдiң (Ni) артық тотығымен (закисiмен) қосылуға және тотықсыздануға мүмкiндiк бермейдi, себебi бұл қосымша зат металл бөлшектерiнiң қозғалуына ғана механикалық кедергi жасайды. Бұдан мынандай қорытынды жасауға болады: металдың қызып пiсуi (спекания) тотыққа (закиске) қарағанда оңай. Оның дисперстiлiгi бастапқы заттың табиғатымен және макроқұрылымы арқылы анықталады.

Бұл жұмыстың авторлары /8/ мынаны дәлелдедi: никель (Ni) құймасының катализаторын дайындағанда олардың жанасу шекарасы катализатордың тотықсыздану дәрежесiне, никель (Ni) металының беттiк ауданына және құрылысына көп әсерiн тигiзедi.

NiО-SiO₂ жүйесiндегi мынандай жанасуды көрсеттi: никель (Ni) тұзындағы диатонит суспензиясына сiлтi қосқан кездегi түзiлген тұнба жай ғана механикалық қоспа еместiгiн дәлелдедi. Тасымалдағыш пен никель (Ni) гидроксидi арасындағы жанасу гидросиликат түзiлуiне әкеледi. Мүндай гидросиликат құрылымдарының түзiлуi тотықсыздану дәрежесiнiң төмендеуiмен түсiндiрiледi.

Никель (Ni) құйма катализаторларының катализдiк қасиеттерi катализаторлардың дайындалу әдiстерi мен тотықсыздану температурасына тәуелдi екенiң түсiндiру үшiн Хардевельд Р. және Хартеч Ф. жұмыстарына тоқталып өткен жөн. Олардың дәлелдемесi бойынша өте жоғарғы тотықсыздану температурасы кезiнде катализаторлар өте активтi, бiрақ тез улануға бейiм болады, ал төменгi температурада катализаторлардың активтiлiгi төмен болып, тұрақтылығы жоғары болады. Мына қатар бойынша әсер етсе формиат > ацетат > оксалат > нитрат онда кизельгурдегi никель (Ni) катализаторының активтiлiгi төмендейдi.

Бiз элементтердiң периодтық жүйеде орналасқан орнына қарап және атомның электрондық құрылымын ескере отырып әлi зерттелмеген, металдардың беткi қабатында жүретiн катализдiк механизмiн және электрохимиялық процестерiн болжай аламыз.