Hydrogenering uden brint:Effektiv katalyse i en stabil emulsionsgel

UJ-forskere tager et nyt skridt for at ændre hydrogenering til et sikkert, lavenergiproces. De bruger en meget stabil trefaset emulsion til at omdanne et giftigt affaldsprodukt til værdifuldt råmateriale. Processen behøver ikke brændbar, komprimeret brintgas.

Emulsionskatalysen hydrogenerer nitrobenzen effektivt ved stuetemperatur for at producere anilin. Anilin er meget udbredt i den farmaceutiske industri. Den bimetalliske hydrogeneringskatalysator genvindes fuldstændigt bagefter.

Uden hydrogenering, det ville ikke være muligt at fremstille mange af nutidens lægemidler. Det er en rygradsproces for den farmaceutiske og kemiske industri. Men brint er dyrt. Sikkerhedsforanstaltningerne for at forhindre eksplosioner i fabrikker og laboratorier er også dyre.

Imidlertid, hvis komprimeret brint overhovedet ikke er nødvendigt, betydelige besparelser er mulige. Det betyder også, at mange kemiske processer kan være meget sikrere og nemmere at arbejde med.

Kemikere fra University of Johannesburg har demonstreret dette, i forskning offentliggjort i Kolloider og overflader .

De omdannede nitrobenzen til anilin, under anvendelse af en katalyseret hydrogeneringsproces i en Pickering-emulsion.

Emulsionsprocessen har potentialet til at være en meget sikrere industriel hydrogeneringsproces end dem, der i øjeblikket er i brug.

"Plukke-emulsioner har eksisteret i 150 år. Men at bruge dem til katalyse opstod først i 2014, " siger prof Reinout Meijboom. Meijboom er forsker ved afdelingen for Kemividenskab.

Yoghurt, er et eksempel på en Pickering-emulsion. En sådan emulsion er en blanding af partikler, der let opløses i vand, og partikler, der let opløses i olie. Det, der gør yoghurt til en Pickering-emulsion, er, at den også indeholder enzymer, som er faste partikler, der ikke opløses.

Nitrobenzen produceres i enorme mængder globalt som affald fra kemisk fremstilling. Det er en meget giftig, persistent organisk forurenende stof beskrevet af WHO, EPA og CDC, blandt andre.

Fremstillingen af ​​polyurethaner bruger nitrobenzen som mellemprodukt. Det bruges også som opløsningsmiddel i olieraffinering. Spildevandet fra farvestofproducenter indeholder ofte nitrobenzen. Det er en olieagtig væske og udgør en brandfare.

Anilin er en industrielt vigtig vare. Det er et råmateriale til et stort antal kemiske produkter, herunder mange lægemidler.

Processen, som forskerne har designet, bruger toluen til at opløse nitrobenzen. Dette danner den første, organisk eller toluen fase af processen. For den anden vandige fase, de opløste natriumborhydrid i vand.

Katalysatoren er den tredje fase i processen. Den består af modificerede silica-mikrosfærer og palladium. De brugte også en bimetallisk katalysator, hvor Palladium er kombineret med kobolt eller nikkel.

Hvis de tre faser lægges sammen, men ikke blandet i en emulsion, kombinationen kan opbevares i dage eller uger, siger Meijboom. En lille mængde hydrogenering finder sted, men processen kommer først rigtigt i gang, når der er dannet en ordentlig emulsion.

Katalysatoren fungerer også som en stabiliserende emulgator.

Når de tre faser blandes til en emulsion, katalysatoren kickstarter hydrogeneringsprocessen. Dannelsen af ​​emulsionen tager et par sekunder. Reaktionen tager omkring to timer i laboratorieskala.

Brinten, der er nødvendig til hydrogenering, leveres af det opløste natriumborhydrid. Hydrogenering sker effektivt ved stuetemperatur, som sparer energi.

Der er ikke behov for lagret eller ført brint. Dette fjerner det meste af eksplosionsrisikoen fra processen.

Den trefasede proces i en Pickering-emulsion har fordelen af ​​en meget større katalytisk overflade, sammenlignet med en enkeltfase eller tofaset proces, siger Meijboom.

Den katalytiske effektivitet kan justeres ved at justere volumenforholdet mellem toluen- og vandfaserne i Pickering-emulsionssystemet.

"Hver dråbe toluen- og nitrobenzenopløsning i emulsionen bliver effektivt til en mikroreaktor. Sådan kan processen indstilles til at være effektiv ved stuetemperatur, " tilføjer han.

Efter at hydrogeneringen er fuldført, den resulterende emulsion er stabil nok til opbevaring i et par dage, før anilinet adskilles.

Undersøgelsen er den første effektive anvendelse af en bimetallisk palladiumkatalysator til hydrogenering af en aromatisk forbindelse i et vandbaseret Pickering-emulsionssystem, siger hr. Peter Dele Fapojuwo. Han er postgraduate forsker ved instituttet.

"Ved at tilsætte nikkel eller kobolt til katalysatoren, vi forbedrede spredningen af ​​palladium på overfladen af ​​emulgatoren, " tilføjer han.

Palladium er meget dyrere end nikkel eller kobolt, så brugen af ​​den bimetalliske katalysator reducerer omkostningerne yderligere.

"Brugen af ​​faste partikler som både katalysatorer og emulgator, eller stabilisator, udgør mindre trussel mod miljøet sammenlignet med konventionelt overfladeaktivt stof. Deres sammensætning er mindre giftig, " siger Fapojuwo.

Reaktionsplatformen er væsentligt sikrere, når der anvendes natriumborhydrid som reduktionsmiddel, frem for brint, tilføjer han.

"Hydrogenering ved hjælp af petroleumsafledt brint er hverken fuldstændig miljøvenlig eller økonomisk rentabel. Det kræver højtryksbrint, hvilket kræver dyrt reaktorudstyr. Det øger procesomkostningerne, " tilføjer han.

"I teorien, denne proces kan tilpasses til at holde en fase i en reaktor med fast leje og lave flowsyntese. Resultatet ville være en kontinuerlig proces for katalytiske reaktioner mellem to ublandbare faser, " siger Meijboom.

"Dette er proof of princip-fasen. Vi arbejder på at generalisere processen, " han siger.

"Vi har designet en proces, der kan udvides til en række industrielt vigtige reaktioner.

"Ved at bruge emulsionskemi, vi har et system, hvor katalysator, emulgator, vandig og organisk fase blandes alle sammen til et ekstremt stabilt system, " siger Meijboom.