UJ-onderzoekers zetten een nieuwe stap om hydrogenering te veranderen in een veilige, laag energie proces. Ze gebruiken een zeer stabiele driefasen-emulsie om een ​​giftig afvalproduct om te zetten in waardevolle grondstof. Het proces hoeft niet ontvlambaar, gecomprimeerd waterstofgas.

De emulsiekatalyse hydrogeneert nitrobenzeen efficiënt bij kamertemperatuur om aniline te produceren. Aniline wordt veel gebruikt in de farmaceutische industrie. De bimetaal-hydrogeneringskatalysator wordt daarna volledig teruggewonnen.

Zonder hydrogenering, het zou niet mogelijk zijn om veel van de huidige medicijnen te vervaardigen. Het is een ruggengraatproces voor de farmaceutische en chemische industrie. Maar waterstof is duur. Ook de veiligheidsmaatregelen om explosies in fabrieken en laboratoria te voorkomen zijn kostbaar.

Echter, als gecomprimeerde waterstof helemaal niet nodig is, aanzienlijke besparingen mogelijk zijn. Het betekent ook dat veel chemische processen veel veiliger en gemakkelijker om mee te werken kunnen zijn.

Chemici van de Universiteit van Johannesburg hebben dit aangetoond, in onderzoek gepubliceerd in Colloïden en oppervlakken .

Ze zetten nitrobenzeen om in aniline, gebruikmakend van een gekatalyseerd hydrogeneringsproces in een Pickering-emulsie.

Het emulsieproces heeft het potentieel om een ​​veel veiliger industrieel hydrogeneringsproces te zijn dan het huidige proces.

"Pickering-emulsies bestaan ​​​​al 150 jaar. Maar het gebruik ervan voor katalyse kwam pas in 2014 op de markt, " zegt prof.dr. Reinout Meijboom. Meijboom is onderzoeker bij de afdeling Chemische Wetenschappen.

Yoghurt, is een voorbeeld van een Pickering-emulsie. Een dergelijke emulsie is een mengsel van deeltjes die gemakkelijk oplossen in water, en deeltjes die gemakkelijk oplossen in olie. Wat yoghurt tot een Pickering-emulsie maakt, is dat het ook enzymen, dat zijn vaste deeltjes die niet oplossen.

Nitrobenzeen wordt wereldwijd in enorme hoeveelheden geproduceerd als afval van chemische productie. Het is een zeer giftige, persistente organische verontreinigende stof beschreven door de WHO, EPA en CDC, onder andere.

Bij de vervaardiging van polyurethanen wordt nitrobenzeen als tussenproduct gebruikt. Het wordt ook gebruikt als oplosmiddel bij aardolieraffinage. Het afvalwater van kleurstoffabrikanten bevat vaak nitrobenzeen. Het is een olieachtige vloeistof en vormt een brandgevaar.

Aniline is een industrieel belangrijke grondstof. Het is een grondstof voor een groot aantal chemische producten, waaronder veel medicijnen.

Het proces dat de onderzoekers ontwierpen, gebruikt tolueen om nitrobenzeen op te lossen. Dit vormt de eerste, organische of tolueenfase van het proces. Voor de tweede waterige fase, ze losten natriumboorhydride op in water.

De katalysator is de derde fase in het proces. Het bestaat uit gemodificeerde silicamicrosferen en palladium. Ze gebruikten ook een bimetaalkatalysator, waar palladium wordt gecombineerd met kobalt of nikkel.

Als de drie fasen bij elkaar worden opgeteld, maar niet gemengd in een emulsie, de combinatie kan dagen of weken worden bewaard, zegt Meijboom. Er vindt een kleine hoeveelheid hydrogenering plaats, maar het proces komt pas echt op gang als er een goede emulsie is gevormd.

De katalysator werkt ook als stabiliserende emulgator.

Wanneer de drie fasen worden gemengd tot een emulsie, de katalysator zet het hydrogeneringsproces op gang. De vorming van de emulsie duurt enkele seconden. De reactie duurt op laboratoriumschaal ongeveer twee uur.

De waterstof die nodig is voor de hydrogenering wordt geleverd door het opgeloste natriumboorhydride. Hydrogenering gebeurt efficiënt bij kamertemperatuur, wat energie bespaart.

Er is geen behoefte aan opgeslagen of doorgesluisde waterstof. Dit verwijdert het grootste deel van het explosierisico uit het proces.

Het driefasenproces in een Pickering-emulsie heeft het voordeel van een veel groter katalytisch oppervlak, vergeleken met een eenfasig of tweefasig proces, zegt Meijboom.

De katalytische efficiëntie kan worden afgesteld door de volumeverhouding van de tolueen- en waterfasen in het Pickering-emulsiesysteem aan te passen.

"Elke druppel tolueen- en nitrobenzeenoplossing in de emulsie wordt in feite een microreactor. Op deze manier kan het proces worden afgestemd om efficiënt te zijn bij kamertemperatuur, " hij voegt toe.

Nadat de hydrogenering is voltooid, de resulterende emulsie is stabiel genoeg om enkele dagen te bewaren, voordat de aniline wordt afgescheiden.

De studie is het eerste efficiënte gebruik van een bimetalen palladiumkatalysator voor de hydrogenering van een aromatische verbinding in een op water gebaseerd Pickering-emulsiesysteem, zegt de heer Peter Dele Fapojuwo. Hij is postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling.

"Door nikkel of kobalt aan de katalysator toe te voegen, we hebben de dispersie van het palladium op het oppervlak van de emulgator verbeterd, " hij voegt toe.

Palladium is veel duurder dan nikkel of kobalt, dus het gebruik van de bimetaalkatalysator verlaagt de kosten verder.

"Het gebruik van vaste deeltjes als katalysator en emulgator, of stabilisator, vormt minder gevaar voor het milieu in vergelijking met conventionele oppervlakteactieve stoffen. Hun samenstelling is minder giftig, ' zegt Fapojuwo.

Het reactieplatform is aanzienlijk veiliger bij gebruik van natriumboorhydride als reductiemiddel, in plaats van waterstof, hij voegt toe.

"Hydrogenering met behulp van van aardolie afgeleide waterstof is niet volledig milieuvriendelijk en ook niet economisch haalbaar. Het vereist waterstof onder hoge druk, waarvoor dure reactorapparatuur nodig is. Dat verhoogt de proceskosten, " hij voegt toe.

"In theorie, dit proces kan worden aangepast om één fase in een vastbedreactor te houden en stroomsynthese uit te voeren. Het resultaat zou een continu proces zijn voor katalytische reacties tussen twee niet-mengbare fasen, ’ zegt Meijboom.

"Dit is de proof of principle-fase. We werken eraan om het proces te veralgemenen, " hij zegt.

"We hebben een proces ontworpen dat kan worden uitgebreid tot een reeks industrieel belangrijke reacties.

"Door emulsiechemie te gebruiken, we hebben één systeem waarbij katalysator, emulgator, waterige en organische fase vermengen zich allemaal tot een extreem stabiel systeem, ’ zegt Meijboom.