НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Наноразмерный катализ

Д. Кокс[62]

Нанотехнология уже привела к многим полезным изменениям в энергетике и химической промышленности, особенно в процессах катализа, где достигнуты большие успехи как в разработке высокоэффективных катализаторов с нано - размерными активными центрами (высокодисперсные металлические матери­алы на оксидных подложках), так и в использовании нанокристаллических сред (цеолитов) в качестве катализаторов с высокой избирательностью. В по­следнем случае заметный прогресс был обусловлен тем, что исследователям фирмы «Мобил ойл» удалось разработать метод промышленного синтеза цео­литов ZSM5. Появление на рынке практически неограниченного количества этих цеолитов привело к настоящей революции в промышленном катализе. Объем сырья, перерабатываемого нефтехимической промышленностью с ис­пользованием цеолитов, составляет более 7 млрд. баррелей в год, а суммарный доход этой отрасли составляет десятки миллиардов долларов в год. Разработа­но много промышленных процессов, в которых используются пористые нано - материалы и цеолиты с каналами различных размеров и формы, что обеспечи­вает требуемую избирательную молекулярную диффузию (рис. 9.4). Структур­ные особенности таких материалов в сочетании с возможностью придавать цеолитам требуемую кислотность (за счет ионообменных процессов) открыва­ют перед исследователями широкие перспективы для практического использо­вания нанотехнологий в энергетике, химической промышленности и защите окружающей среды.

Рис. 9.4. Трехмерная структура каналов ката­лизатора ZSM5 [50] (© 1999 Kluver Academic Publishers).

Одним из важнейших каталитических процессов, в которых используются цеолиты и регулируемая избирательная молекулярная диффузия, является изомеризация ароматических соединений типа С8 (ксилолов) на катализато­рах H-ZSM5. Требования к процессу изомеризации двух соединений этого типа (параксилола и ортоксилола) значительно выше, чем для двух других (ме- таксилола и этилбензола). Катализатор H-ZSM5 с порами размером 0,6 нм обладает уникальной способностью к изомеризации ксилолов с небольшим крекингом исходного сырья. Еще одним важным свойством этого катализато­ра является то, что коэффициент диффузии параксилола в нем значительно выше, чем у других изомеров ксилола, вследствие чего параксилол легко диф­фундирует через кристалл цеолита, в то время как орто - и метаксилол эффек­тивно удерживаются порами кристалла.

На основе уникальных наноструктурных особенностей катализатора был разработан коммерческий процесс «Парекс», который сейчас на лицензионной основе используется на нефтеперерабатывающих предприятиях многих стран. Другие цеолитные катализаторы широко используются в различных отраслях химической промышленности и энергетики. В промышленных и университет­ских лабораториях ведутся синтез и исследование новых цеолитов (примером может служить разработка фирмой «Мобил ойл» цеолитов типа МСМ-41 с крупными порами, о которой упоминалось в гл. 5), а также разработка на осно­ве присущей этим кристаллам молекулярной или наномасштабной избиратель­ности новых промышленных процессов сорбции и разделения материалов.