СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ИЗ ХЛОРБЕНЗОЛА НА

XVIII Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 12: Наноматериалы, нанотехнологии и новая энергетика
СИНТЕЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ИЗ ХЛОРБЕНЗОЛА
НА CoO/SiO2 КАТАЛИЗАТОРАХ
Чичкань А.С.
Научный руководитель: Чесноков В.В., д.х.н.
Институт катализа СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 5
E-mail: AlexCsh@yandex.ru
Химическая промышленность является крупЗауглероженные катализаторы были исследоным поставщиком сырья, полупродуктов и раз- ваны методом просвечивающей электронной микличных материалов, включая пластмассы, лаки, роскопии с использованием прибора JEM-100CX с
краски, минеральные удобрения и т.д. До полови- разрешением 2 Å по линиям. Детальное изучение
ны оборота химической промышленности прямо углеродных наноструктур проводили с применеили косвенно связано с участием хлора [1]. При нием электронной микроскопии высокого разрепроизводстве, переработке и использовании хими- шения (ЭМВР) в сочетании с дифракцией элекческих веществ образующиеся хлорорганические тронов. ЭМВР проводили с помощью прибора
отходы требуют утилизации или уничтожения, т.к. JEM-2010 с разрешением 1,4 Å по линиям.
На первоначальном этапе было проведено исобладают высокой токсичностью и несут потенциальную опасность для здоровья и жизни людей [2]. следование возможности термического превращеПоэтому задача создания технологии переработки ния самого хлорбензола. В реактор подавали архлорорганических отходов является актуальной. гон, насыщенный парами хлорбензола. Реакцию
Существуют различные методы обезвреживания проводили при 600-700 °С с подъемом температухлорорганических отходов: реагентные, окисли- ры в ходе опыта. Состав газовой смеси на выходе
тельные, электрохимические, пиролитические, а из реактора был проанализирован с помощью хротакже сжигание, химическая и плазмохимическая матографа «Кристалл 2000». Было показано, что
переработка, захоронение. Сжигание применяется термическое превращение хлорбензола незначинаиболее широко и чаще из экономических сооб- тельно и составляет приблизительно 5 %. При выражений. Альтернативой сжигания является метод боре катализатора руководствовались следующикаталитического гидродехлорирования. При ути- ми фактами: оксид кремния устойчив к воздейстлизации отходов каталитическим методом исклю- вию хлороводорода, поэтому более предпочтитечается образование хлордиоксинов и парниковых лен в качестве носителя катализатора, чем, напригазов. Основной проблемой гидродехлорирования мер, оксид алюминия; кобальт обладает каталитиявляется дезактивация катализаторов, которая ческой активностью как в реакции гидродехлориприводит к нестабильной работе системы.
рования, так и в процессе образования углерода.
Целью настоящего исследования стала разра- Было показано, что оксид кремния обладает некоботка эффективных кобальтсодержащих катализа- торой активностью в реакции гидродехлорироваторов для проведения реакций гидродехлорирова- ния, а конверсия хлорбензола (ХБ) – около 30 %.
Кобальтсодержащие катализаторы с крайними
ния на примере разложения хлорбензола.
Методом пропитки были синтезированы значениями (1 % и 10 %) были исследованы в реCoO/SiO2 катализаторы с различным содержанием акции гидродехлорирования без водорода. На риоксида кобальта (1 %, 5 % и 10 %). Катализаторы сунке 1 представлены кинетические кривые обрабыли испытаны в проточном кварцевом реакторе с зования углерода.
весами Мак-Бена, что позволило следить за изменением массы образца непосредственно в ходе
реакции. В качестве исходного сырья использовали хлорбензол. В процессе гидродехлорирования
проходили следующие основные реакции (1-3):
С Н Сl + H → C H + HCl
(1);
2 5
2
6 6
C H + 3H → C H
(2);
6 6
2
6 12
Co/SiO
2 →12C + 4H + 2HCl (3)
2C H Cl ⎯⎯ ⎯ ⎯⎯
2 5
2
Таким образом, одновременно проходило несколько реакций: гидродехлорирование до бензола, гидрирование бензола до гексана и образование
хлороводорода и углерода на поверхности катализатора. Углерод – это углеродные нанотрубки
(УНТ), которые сами по себе представляют большой интерес благодаря своим уникальным свойствам. В перспективе УНТ могут иметь широкий
спектр применения: в строительстве, материаловедении, электронике, катализе и т.д.
Рис. 1 Кинетические кривые образования углерода
(1)
и
на
катализаторах
1 % CoO/SiO2
10 % CoO/SiO2 (2). Подача реагента ХБ:Ar =
1,6:100. Температура реакции 600 °C.
Видно, что скорость образования углерода на
10 % CoO/SiO2 катализаторе снижается после 40
399
XVIII Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 12: Наноматериалы, нанотехнологии и новая энергетика
зола при T = 600 °C на 1% CoO/SiO2 катализаторе.
Условия реакции: Ar (ХБ) = 3 л/час, Н2 = 5 л/ч для
графиков 1 (гексан) и 2 (бензол); Ar (ХБ) = 3
л/час, Н2 = 0 л/ч для графиков 3 (гексан) и 4 (бензол).
минут эксперимента, однако работает гораздо стабильнее, чем 1 % CoO/SiO2 катализатор. Добавка в
исходную реакционную смесь водорода положительно влияет на общий процесс гидродехлорирования: при снижении скорости образования углерода, стабильность работы катализатора возрастает. Влияние водорода на скорость образования
углерода из хлорбензола показано на рисунке 2.
Лучшими характеристиками в реакции разложения хлорбензола обладал катализатор 5 %
CoO/SiO2. При большем содержании оксида кобальта (10 %) частицы металла спекаются и увеличиваются в размере, что приводит к дезактивации
катализатора. Для процесса образования углеродных нанотрубок требуются высокодисперсные
металлические частицы, поэтому желательно использовать катализаторы с меньшим содержанием
оксида кобальта.
В результате проведенного исследования были
синтезированы катализаторы CoO/SiO2 с различным содержанием оксида кобальта. Полученные
катализаторы были изучены в реакции разложения
хлорбензола. Показано, что активность носителя в
основной реакции незначительна, активность самого катализатора CoO/SiO2 зависит от содержания в нем активного компонента (оксида кобальта). Установлено, что оптимальным по составу
катализатором для образования углеродных нанотрубок является 5 % CoO/SiO2 катализатор. Показано, что присутствие водорода в системе увеличивает конверсию хлорбензола и стабильность
работы катализатора в процессе образования углеродных нанотрубок.
Рис. 2 Кинетические кривые образования углерода
из хлорбензола на 1% CoO/SiO2 катализаторе. Подача: (1) – ХБ:Ar = 1,6:100; (2) – ХБ:Ar:Н2 =
0,8:50:50 при T= 600 °C.
Добавка водорода увеличивает конверсию
хлорбензола, поэтому количественный состав реакционной смеси на выходе меняется (рис. 3). Были проведены электронно-микроскопические исследования углерода, образующегося на CoO/SiO2
катализаторах.
Исследования
показали,
на
CoO/SiO2 катализаторах образуются углеродные
нанотрубки. Кроме того, для катализаторов
CoO/SiO2 был определен оптимальный состав.
Список использованных источников:
1. Л.Н. Занавескин, В.А. Аверьянов,
О.А. Конорев Окислительные методы переработки и детоксикации хлорорганических отходов. Курс на ресурсосбережение
и экологическую безопасность // Химическая промышленность, 2002, № 2, С. 1-17.
2. Л.Н. Занавескин, О.А. Конорев Четыреххлористый углерод. Методы переработки в
экологически безопасные продукты и перспективы их развития. // Химическая промышленность, 2002, № 9, С. 4-21
Рис. 3 Изменение концентраций углеводородов от
времени в реакции гидродехлорирования хлорбен-
400