Praca zaliczeniowa z

Praca zaliczeniowa z

przedmiotu Kataliza w

przedmiotu Kataliza w

Ochronie Środowiska

Ochronie Środowiska

Tytuł prezentacji:

Tytuł prezentacji:

Zielona kataliza heterogeniczna

Zielona kataliza heterogeniczna

w ochronie środowiska

w ochronie środowiska

Student: Heroldso

Student: Heroldso

Nr albumu: xxxx

Nr albumu: xxxx

Data: 05.04.2011

Data: 05.04.2011

Definicje

Definicje

Kataliza

Kataliza

jest to zjawisko polegające na zwiększeniu

jest to zjawisko polegające na zwiększeniu

szybkości reakcji chemicznej i/lub skierowaniu

szybkości reakcji chemicznej i/lub skierowaniu

reakcji na jedną z kilku możliwych

reakcji na jedną z kilku możliwych

termodynamicznie dróg prowadzących do różnych

termodynamicznie dróg prowadzących do różnych

produktów, w obecności niewielkich ilości

produktów, w obecności niewielkich ilości

substancji zwanych katalizatorami. Substancje te

substancji zwanych katalizatorami. Substancje te

tworząc nietrwałe połączenia przejściowe, nie są

tworząc nietrwałe połączenia przejściowe, nie są

jednakże zużywane w reakcji i nie występują w jej

jednakże zużywane w reakcji i nie występują w jej

równaniu stechiometrycznym. Katalizator nie

równaniu stechiometrycznym. Katalizator nie

zmienia przy tym położenia równowagi

zmienia przy tym położenia równowagi

chemicznej, wpływa jedynie na szybkość

chemicznej, wpływa jedynie na szybkość

dochodzenia układu do tego stanu.

dochodzenia układu do tego stanu.

Katalizator

Katalizator

to substancja, która

to substancja, która

zwiększa szybkość z jaką reakcja

zwiększa szybkość z jaką reakcja

chemiczna osiąga stan równowagi,

chemiczna osiąga stan równowagi,

sama się jednak nie zużywa i której

sama się jednak nie zużywa i której

symbol nie występuje w równaniu

symbol nie występuje w równaniu

stechiometrycznym.

stechiometrycznym.

Wpływ katalizatora na reakcję

Wpływ katalizatora na reakcję

chemiczną polega głównie na

chemiczną polega głównie na

obniżeniu jej energii aktywacji.

obniżeniu jej energii aktywacji.

Definicje

Definicje

Zielona Kataliza

Zielona Kataliza

Na podkreślanie znaczenia chemii w ochronie

Na podkreślanie znaczenia chemii w ochronie

środowiska wprowadzono termin „zielona

środowiska wprowadzono termin „zielona

chemia” która skupia się na projektowaniu

chemia” która skupia się na projektowaniu

produktów i procesów chemicznych

produktów i procesów chemicznych

bezpiecznych dla człowieka i

bezpiecznych dla człowieka i

niezagrażających środowisku naturalnemu.

niezagrażających środowisku naturalnemu.

W celu uwypuklenia szczególnej roli

W celu uwypuklenia szczególnej roli

katalizy w ochronie środowiska można

katalizy w ochronie środowiska można

wprowadzić termin „zielona kataliza” jako

wprowadzić termin „zielona kataliza” jako

część „zielonej chemi”

część „zielonej chemi”

Zasady

Zasady

na których opiera się zielona

na których opiera się zielona

kataliza

kataliza

•

Lepiej zapobiegać tworzeniu odpadów,

Lepiej zapobiegać tworzeniu odpadów,

niż je później usuwać

niż je później usuwać

•

Maksymalnie wykorzystywać materiały

Maksymalnie wykorzystywać materiały

używane w syntezie produktu finalnego

używane w syntezie produktu finalnego

•

Stosować i produkować zawsze, o ile to

Stosować i produkować zawsze, o ile to

możliwe, substancje nietoksyczne lub o

możliwe, substancje nietoksyczne lub o

małej toksyczności

małej toksyczności

•

Używać materiały pomocnicze, np.

Używać materiały pomocnicze, np.

rozpuszczalniki, tylko w minimalnych

rozpuszczalniki, tylko w minimalnych

ilościach nawet gdy są one nieszkodliwe

ilościach nawet gdy są one nieszkodliwe

•

Dążyć do jak najmniejszego zużycia

Dążyć do jak najmniejszego zużycia

energii i stosować ciśnienie i temperaturę

energii i stosować ciśnienie i temperaturę

otoczenia

otoczenia

•

Stosować surowce odnawialne

Stosować surowce odnawialne

•

Unikać stosowania w procesach związków

Unikać stosowania w procesach związków

pośrednich i pomocniczych

pośrednich i pomocniczych

•

Projektować i produkować tylko takie

Projektować i produkować tylko takie

materiały, które po zakończeniu ich

materiały, które po zakończeniu ich

użytkowania nie będą szkodzić środowisku

użytkowania nie będą szkodzić środowisku

Zasady

Zasady

na których opiera się zielona

na których opiera się zielona

kataliza c.d.

kataliza c.d.

•

Projektować i prowadzić procesy produkcyjne

Projektować i prowadzić procesy produkcyjne

w sposób bezpieczny, minimalizując pożary,

w sposób bezpieczny, minimalizując pożary,

wybuchy i wycieki oraz inne wypadki

wybuchy i wycieki oraz inne wypadki

•

Zabezpieczyć kontrolę analityczną oraz

Zabezpieczyć kontrolę analityczną oraz

modyfikowanie procesu

modyfikowanie procesu

•

Reakcje katalityczne prowadzić tak, aby były

Reakcje katalityczne prowadzić tak, aby były

wydajne i selektywne. Ponadto należy ciągle

wydajne i selektywne. Ponadto należy ciągle

udoskonalać stosowane katalizatory oraz

udoskonalać stosowane katalizatory oraz

wprowadzać do praktyki ich nowe generacje

wprowadzać do praktyki ich nowe generacje

Zasady

Zasady

na których opiera się zielona

na których opiera się zielona

kataliza c.d.

kataliza c.d.

Alternatywne syntezy

Alternatywne syntezy

organiczne

organiczne

przykłady

przykłady

Alkilowanie benzenu

Alkilowanie benzenu

propylenem

propylenem

W warunkach przemysłowych alkilowanie benzenu

W warunkach przemysłowych alkilowanie benzenu

propylenem prowadzone jest w stanie gazowym

propylenem prowadzone jest w stanie gazowym

w obecnosci kwasu fosforowego na

w obecnosci kwasu fosforowego na

nieorganicznym nośniku oraz w fazie ciekłej w

nieorganicznym nośniku oraz w fazie ciekłej w

obecności chlorku glinu lub kwasu siarkowego

obecności chlorku glinu lub kwasu siarkowego

albo kwasu fluorowodorowego. Stwierdzono, że

albo kwasu fluorowodorowego. Stwierdzono, że

w pierwszym wypadku, prócz izopropylobenzenu

w pierwszym wypadku, prócz izopropylobenzenu

(kumenu), powstają produkty uboczne, takie jak

(kumenu), powstają produkty uboczne, takie jak

di-, tri- i poliakilobenzeny, które w warunkach

di-, tri- i poliakilobenzeny, które w warunkach

reakcji nie ulegają transalkilacji i wymagają

reakcji nie ulegają transalkilacji i wymagają

kosztownej i uciążliwej dla środowiska utylizacji.

kosztownej i uciążliwej dla środowiska utylizacji.

Ponadto tworzą się oligomery propylenu (C

Ponadto tworzą się oligomery propylenu (C

6

6

, C

, C

9

9

,

,

C

C

12

12

), które pogarszają jakość produktu finalnego.

), które pogarszają jakość produktu finalnego.

Schemat syntezy kumenu

Schemat syntezy kumenu

W wypadku AlCl

W wypadku AlCl

3

3

reakcja alkilowania przebiega w

reakcja alkilowania przebiega w

warunkach łagodniejszych, ale mimo ciągłego

warunkach łagodniejszych, ale mimo ciągłego

udoskonalenia technologii występuje duża

udoskonalenia technologii występuje duża

korozyjność aparatury i związana z tym

korozyjność aparatury i związana z tym

konieczność stosowania drogich materiałów

konieczność stosowania drogich materiałów

konstrukcyjnych w całej instalacji. W procesie

konstrukcyjnych w całej instalacji. W procesie

produkcyjnym powstaje duża ilość szlamów,

produkcyjnym powstaje duża ilość szlamów,

odpadów i gazów toksycznych oraz kwaśnych

odpadów i gazów toksycznych oraz kwaśnych

ścieków (pH ~ 1,5) zawierających węglowodory

ścieków (pH ~ 1,5) zawierających węglowodory

aromatyczne. Zaletą tego procesu jest rzemiana

aromatyczne. Zaletą tego procesu jest rzemiana

diizopropylobenzenów w kumen w wyniku np.

diizopropylobenzenów w kumen w wyniku np.

Dysproporcjonowania:

Dysproporcjonowania:

Zaletą tego procesu jest przemiana diizopropylobenzenów

Zaletą tego procesu jest przemiana diizopropylobenzenów

w kumen w wyniku np. Dysproporcjonowania:

w kumen w wyniku np. Dysproporcjonowania:

lub transalkilowania:

lub transalkilowania:

W celu zmniejszenia ilości odpadów toksycznych i

W celu zmniejszenia ilości odpadów toksycznych i

korozyjności aparatury, dązy się od lat do

korozyjności aparatury, dązy się od lat do

modyfikacji technologii np. poprzez zastosowanie

modyfikacji technologii np. poprzez zastosowanie

nowych, ekologicznych katalizatorów takich jak

nowych, ekologicznych katalizatorów takich jak

zeolit zwany ekstrazeolitem PBE-1 do produkcji

zeolit zwany ekstrazeolitem PBE-1 do produkcji

przemysłowej kumenu i etylobenzenu. Przyczyny

przemysłowej kumenu i etylobenzenu. Przyczyny

wykorzystania ekstrazeolitu jako katalizatora

wykorzystania ekstrazeolitu jako katalizatora

związane są ze specjalnym systemem połączeń

związane są ze specjalnym systemem połączeń

kanałowych, które minimalizują tworzenie się

kanałowych, które minimalizują tworzenie się

depozytu węglowego i w ten sposób czas życia

depozytu węglowego i w ten sposób czas życia

katalizatora jest znacznie dłuższy w porównaniu

katalizatora jest znacznie dłuższy w porównaniu

do np. Zeolitów typu fojazytu.

do np. Zeolitów typu fojazytu.

Alkilowanie fenoli i jego

Alkilowanie fenoli i jego

pochodnych alkocholami

pochodnych alkocholami

Alkilowanie fenoli jest ważna przemysłową

Alkilowanie fenoli jest ważna przemysłową

reakcją. W jej wyniku otrzymuje się wiele

reakcją. W jej wyniku otrzymuje się wiele

produktów, np. o-krezol używany w syntezie

produktów, np. o-krezol używany w syntezie

herbicidów, 2,6-ksylenol używany w produkcji

herbicidów, 2,6-ksylenol używany w produkcji

tlenku polifenylowego. Ponadto w wyniku O-

tlenku polifenylowego. Ponadto w wyniku O-

alkilowania metanolem hydroksyarenów

alkilowania metanolem hydroksyarenów

powstają etery metyloarylowe stosowane jako

powstają etery metyloarylowe stosowane jako

dodatki do paliw, znacznie podnoszące liczbę

dodatki do paliw, znacznie podnoszące liczbę

oktanową. W syntezie tych eterów jako

oktanową. W syntezie tych eterów jako

substratu można również używać odpadów

substratu można również używać odpadów

ligninowych pochodzących z przemysłu

ligninowych pochodzących z przemysłu

celulozowego, otrzymując dobry zamienik

celulozowego, otrzymując dobry zamienik

używanego obecnie eteru metylo-tert-

używanego obecnie eteru metylo-tert-

butylowego (MTBE)

butylowego (MTBE)

Alkilowanie fenolu

Alkilowanie fenolu

metanolem

metanolem

Alkilowanie fenoli jest typową reakcją kwasowo-zasadową i

Alkilowanie fenoli jest typową reakcją kwasowo-zasadową i

jak wielokrotnie wykazano, jej selektywność jest zależna od

jak wielokrotnie wykazano, jej selektywność jest zależna od

kwasowości katalizatorów. Użycie typowych katalizatorów

kwasowości katalizatorów. Użycie typowych katalizatorów

Friedela-Craftsa będących katalizatorami Lewisa z wielu

Friedela-Craftsa będących katalizatorami Lewisa z wielu

względów, w tym z powodów ekologicznych, jest

względów, w tym z powodów ekologicznych, jest

niekorzystne lub nawet nieefektywne. Wykazano że

niekorzystne lub nawet nieefektywne. Wykazano że

katalizator tlenkowy o właściwościach kwasowych i

katalizator tlenkowy o właściwościach kwasowych i

zasadowych, np.. TiO

zasadowych, np.. TiO

2

2

-MgO, był bardziej aktywny i

-MgO, był bardziej aktywny i

selektywny niż czysty MgO w syntezie 2,6-ksylenolu, co

selektywny niż czysty MgO w syntezie 2,6-ksylenolu, co

przypisano połączonemu efektowi słabej kwasowości i

przypisano połączonemu efektowi słabej kwasowości i

silnej zasadowości katalizatora. Natomiast w reakcji O-

silnej zasadowości katalizatora. Natomiast w reakcji O-

alkilowania katalizatory o silnej kwasowości były bardziej

alkilowania katalizatory o silnej kwasowości były bardziej

aktywne, ale mniej selektywne. Ostatecznie okazało się że

aktywne, ale mniej selektywne. Ostatecznie okazało się że

zastosowanie zeolitów w alkilowaniu alkoholami oraz

zastosowanie zeolitów w alkilowaniu alkoholami oraz

możliwość regulowania właściwości kwasowo-zasadowych

możliwość regulowania właściwości kwasowo-zasadowych

zeolitów ma istotny wpływ na tworzenie się produktów O-

zeolitów ma istotny wpływ na tworzenie się produktów O-

lub C- alkilowania.

lub C- alkilowania.

Glukoza jako zamiennik

Glukoza jako zamiennik

benzenu w syntezie kwasu

benzenu w syntezie kwasu

adypinowego

adypinowego

Tradycyjnym substratem w syntezie

Tradycyjnym substratem w syntezie

kwasu adypinowego jest benzen,

kwasu adypinowego jest benzen,

który wykazuje właściwości

który wykazuje właściwości

rakotwórcze. Stosując glukozę w

rakotwórcze. Stosując glukozę w

miejsce benzenu i przeprowadzając

miejsce benzenu i przeprowadzając

syntezę biochemiczną, uzyskujemy

syntezę biochemiczną, uzyskujemy

w rezultacie ten sam produkt.

w rezultacie ten sam produkt.

Tradycyjna synteza kwasu

Tradycyjna synteza kwasu

adypinowego

adypinowego

Nowa synteza kwasu

Nowa synteza kwasu

adypinowego

adypinowego

Synteza amin aromatycznych

Synteza amin aromatycznych

eliminująca chlorobenzen jako związek

eliminująca chlorobenzen jako związek

pośredni

pośredni

Zwykle aminy aromatyczne

Zwykle aminy aromatyczne

otrzymuje się na drodze

otrzymuje się na drodze

chlorowania benzenu i nitrowania

chlorowania benzenu i nitrowania

oraz nukleofilowego podstawienia.

oraz nukleofilowego podstawienia.

Alternatywna metoda opracowana

Alternatywna metoda opracowana

przez firmę Monsanto polega na

przez firmę Monsanto polega na

substytucji nukleofilowej wodoru

substytucji nukleofilowej wodoru

Tradycyjna synteza

Tradycyjna synteza

4-aminodifenyloaminy

4-aminodifenyloaminy

Nowa synteza 4-

Nowa synteza 4-

aminodifenyloaminy

aminodifenyloaminy