Преиспитивање производње водоник пероксида | Посао

Прво је произвео француски хемичар Лоуис Јацкуес Тхенард 1818. године, водоник пероксид (Х₂О₂) има много употреба. Хемијска индустрија производи преко 5 милиона тона Х₂О₂ годишње, за производе као што су дезинфекциона средства, средства за избељивање, па чак и ракетно гориво. Скоро половина глобалних Х₂О₂ производња се враћа у друге хемијске процесе, додајући вредност бројним хемикалијама кроз оксидацију.

Данас је процес антрахинона – који је развио БАСФ 1939. – скоро искључиви начин производње Х₂О₂. Водоник смањује антрахинон – јефтин, широко доступан органски реагенс – у присуству паладијумског катализатора. Оксидација насталог диола са диоксигеном регенерише антрахинон, стварајући Х₂О₂ као нуспроизвод. Осим његове лакоће синтезе, једини нуспроизвод Х₂О₂ оксидација је вода, ограничавајући утицаје на животну средину.

Направите га тамо где је потребно

Да би смањили трошкове транспорта и складиштења, добављачи концентришу Х₂О₂ на око 30–70%, док већина корисника захтева концентрације испод 10%. Ово троши енергију, користи велике количине воде да се поново разблажи на одговарајући начин и изазива забринутост због рада са тако концентрованим оксидансом. „Минимизирање употребе ограничених ресурса и спречавање стварања загађивача морају бити главни фокус (убудуће)“, каже Рицхард Левиспредузетничко вођство Хидро-Оки.

Смештен у Институту за катализу у Цардиффу, УК, Хидро-Оки има за циљ да превазиђе ове проблеме генерисањем Х₂О₂ ин-ситу. Његова технологија користи композитни катализатор на бази паладијума за претварање разблажених концентрација водоника и кисеоника – сличних нивоа оним које се стварају електрохемијским цепањем воде – у водоник пероксид. Допирање катализатора додатним металима као што су злато и платина може повећати активност и стабилност катализатора.

Компанија је првенствено користила технологију – уз додатак амонијака – за синтезу циклохексанон оксима, кључног интермедијера у формирању капролактама, мономера за полиамид-6. Процес се може прилагодити другим хемикалијама – укључујући пропилен оксид, метанол и фенол. Хидро-оки технологија генерише приносе који се приближавају 100%, смањује трошкове материјала до 15% и смањује потрошњу енергије до 30%. Луис објашњава да то чини производњу водоник-пероксида на лицу места „далеко економски конкурентнијом у односу на постојеће индустријске процесе“.

„Предност нашег система је што се може уградити у постојећу (индустријску) инфраструктуру, што смањује баријеру уласку“, каже Луис. У индустријским условима коришћењем концентрованих реагенса, катализатор може да траје више од 100 сати у струји и има укупни животни век од око 18 месеци.

„Показали смо код куће да можемо да постигнемо вишелитарску вагу и тренутно почињемо експерименте на скали од 20 литара са партнерима са седиштем у Пекингу“, каже Луис. Он додаје да је то могуће захваљујући подршци индустријских партнера, попут Џонсона Метија.

Органске адаптације

„Много воде у органском процесу није добра вест. Многи органски молекули нису растворљиви у води… или реагују“, објашњава Јамес Цларксуоснивач Аддибле. Он додаје да је индустрија заобишла ово питање користећи двофазне системе, где органски супстрати реагују са водоник-пероксидом на граници између органских и водених раствора. Кларк објашњава да комбинација катализатора на бази волфрама и катализатора фазног трансфера за побољшану комуникацију између слојева доводи до „прилично компликоване супе, која је далеко од идеалне“.

Аддибле се нада да ће поједноставити процес узимањем Х₂О₂ ван воде. Компанија, која је издвојена са Универзитета у Јорку, Велика Британија, првобитно је идентификовала тетраметилоксолан (ТМО) као зелени растварач који би могао да замени толуен, који је канцероген. ТМО је сличан тетрахидрофурану, али са четири метил групе које блокирају угљенике у близини атома кисеоника.

Рачунарска карактеризација је открила да је ТМО веома добар у везивању водоника. „Ако узмете стандардни водени раствор водоник пероксида и промућкате га са ТМО, формира се комплекс водоничним везама“, каже Кларк. ‘То је значајан ентитет са прилично јаким везама.’ Комплекс – познат као ТМО₂ – стабилан је током дугог периода и раствара већину органских једињења. Аддибле тренутно може произвести ТМО₂ на скали од 10 литара, а његов матични растварач ТМО на скали од 1 тоне.

ТМО₂ је до сада оксидирао широк спектар једињења у неводеним условима, укључујући алкене, алдехиде, органске сулфиде и амине. Кларк напомиње да је активност нешто нижа од других метода, али додавање неметалног катализатора побољшава систем. Иако Аддибле-ова технологија не уклања потребу за производњом Х₂О₂ на првом месту, решава постојећи проблем у индустрији, чинећи ствари сигурнијим, ефикаснијим и смањујући укупне трошкове.

Други хемичари су раније превазишли проблем воде у таквим реакцијама коришћењем органских перкиселина – направљених оксидацијом карбоксилних киселина. Такви молекули су уобичајени, али њихова нестабилност их може учинити опасним, а нека ограничења сада ограничавају њихов транспорт. Карбоксилне киселине регенерисане као нежељени нуспроизводи такође могу створити вишак отпада.

Компанија је радила са бројним компанијама у области зелене хемије како би финансирала своју технологију. Осим оксидације малих молекула, Аддибле сада жели да се прошири на рециклажу гумених гума и других полимера који се налазе у текстилу и пластичној амбалажи.

„Замислите систем у којем правите водоник пероксид користећи модерну методу, као што је електрохемија или фотокатализа, генеришући га на лицу места, и ТМО₂ извлачи га онако како је формиран’, каже Кларк. „Онда имате заиста леп континуирани систем.“