Самарские ученые разработали эффективные катализаторы для использования в нефтехимической промышленности

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П.Королева разработали и синтезировали эффективные возобновляемые катализаторы* на основе силикагеля, которые помогут удешевить ряд технологических процессов на нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях. Теоретические и экспериментальные работы проводились сотрудниками научной группы под руководством профессора кафедры физической химии и хроматографии Анджелы Булановой в рамках проекта, поддержанного Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ).

"Наш проект посвящен созданию новых катализаторов селективного гидрирования ароматических углеводородов, в том числе бензола**. Подобные разработки должны стать основой новых перспективных технологий нефтехимии и нефтепереработки. В ходе экспериментов нами были синтезированы эффективные катализаторы на основе мезопористых силикагелей, обладающие рядом существенных преимуществ по сравнению с применяемыми в настоящее время в нефтехимической промышленности. В числе этих преимуществ - более низкие уровни рабочих температур и давления, высокая конверсия и возобновляемость используемых катализаторов", - рассказала руководитель проекта, аспирант кафедры физической химии и хроматографии Елена Токранова.

Силикагель - это высушенный гель, образующийся из перенасыщенных растворов кремниевых кислот. В быту этот материал многим знаком как обычный наполнитель для кошачьего туалета. Еще его можно найти в маленьких пакетиках в коробках с новой обувью. В промышленности силикагели применяются в качестве адсорбентов, для осушения газов, очистки масел и нефти. Они буквально пронизаны лабиринтом пор, образующих огромную внутреннюю поверхность, исчисляемую десятками и даже сотнями квадратных метров на один грамм веса, и благодаря такой структуре эти материалы могут использоваться как эффективные носители катализаторов. Мезопористыми принято называть силикагели, содержащие поры диаметром от 2 до 50 нм. На внутреннюю поверхность этих пор различными способами наносится каталитическое вещество.

В настоящее время в качестве активного компонента катализаторов гидрирования ароматических углеводородов на промышленных предприятиях, как правило, используется никель. Такие благородные металлы, как палладий, платина или рутений в химическом плане во многом, конечно же, эффективнее никеля, но по цене они значительно дороже. Ученые Самарского университета за счет модифицирования мезопористого силикагеля небольшими количествами редкоземельных элементов - диспрозием и лантаном - смогли значительно увеличить активность никелевых катализаторов.

"Цель наших исследований состояла в том, чтобы за счет встраивания малого процента диспрозия или лантана увеличить каталитическую активность катализатора. При этом можно уменьшить общее содержание никеля, что делает катализатор более дешевым. Кроме того, новые катализаторы позволяют проводить реакцию гидрирования при более низких температурах и давлении, то есть, предприятия смогут удешевить продукцию, снизив энергопотребление для ее получения, что сделает процессы гидрирования экономичнее и экологически безопаснее. Для Самарской области эти разработки очень важны, поскольку процессы гидрирования широко используются на химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях региона", - отметила Елена Токранова.

Наиболее эффективным из разработанных оказался катализатор на основе мезопористого силикагеля, допированного диспрозием и модифицированного никелем (Dy-Ni/MC). Его рабочая температура составляет 150 градусов, давление - 3 атмосферы, время гидрирования - 20 минут. Для сравнения: у применяемого на предприятиях типового никелевого катализатора на высокодисперсном носителе рабочая температура - 250 градусов, давление - 20 атмосфер, время гидрирования - 30 минут.

* Катализатором называется вещество, которое своим присутствием в небольшом количестве в смеси веществ способствует химической реакции между ними или увеличивает скорость этой реакции.

** Гидрирование ароматических углеводородов относится к числу важнейших процессов при производстве продуктов нефтехимической промышленности. Процесс гидрирования бензола лежит в основе получения капролактама - исходного продукта для производства полиамидных пластмасс и волокон. В Самарской области расположен "КуйбышевАзот" - одна из ведущих химических компаний в России, лидер в России и Восточной Европе по выпуску капролактама и полиамида, крупнейший производитель технических и текстильных нитей, кордной ткани, полиамидных и смесовых тканей в России.

1. Shafigulin R. V., Filippova (Tokranova) E.O., Shmelev A.A., Bulanova A.V. Mesoporous Silica Doped with Dysprosium and Modified with Nickel: A Highly Efficient and Heterogeneous Catalyst for the Hydrogenation of Benzene, Ethylbenzene and Xylenes // Catalysis Letters. - 2019. - Vol. 149. - №. 4. - P. 916-928.
2. Filippova (Tokranova) E.O., Shafigulin, R. V., Tokranov A.A., Shmelev, A. A., Bulanova, A. V, Pimerzin A.A., Karavaev A.A.: Study of adsorption properties of synthesized mesoporous silica doped with dysprosium and modified with nickel // J. Chin. Chem Soc. – 2020. - V. 67, - P. 1167–1173.
3. Филиппова (Токранова) Е.О., Виноградов, К. Ю., Шафигулин, Р. В., Буланова, А. В. Сравнение адсорбционных свойств мезопористых кремнеземов, допированных диспрозием, модифицированных медью и серебром, методом обращенной газовой хроматографии // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2020. – Т. 20. – №. 6. – С. 696-706.
4. Филиппова (Токранова) Е.О., Шафигулин Р.В., Буланова А.В Кинетические характеристики катализаторов на основе мезопористого силикагеля, допированного диспрозием и модифицированного Ni, Cu, Ag, в реакциях гидрирования ксилолов // Журнал Физической химии. - 2021. - Т.95, - № 4. - С.1-7

Фото: pixabay.com