Научные открытия России
Государственный реестр открытий СССР
 


ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Научные открытия в области органической, неорганической химии и катализа.



Научное открытие "Сопряжение реакций на мембранных катализаторах".

Формула открытия: "Установлено неизвестное ранее явление сопряжения на мембранном катализаторе двух (или более) химических реакций, при одной из которых образуется вещество, избирательно проникающее через мембранный катализатор, а в другой реакции это вещество расходуется. Сопрягаемые реакции идут одновременно на разных сторонах мембранного катализатора без перемешивания всех реагентов.
Сопряжение реакций на мембранном катализаторе обусловливает увеличение скорости реакций, селективности действия катализатора, выхода продуктов. Термодинамическим условием сопряжения является преобладание убыли свободной энергии в одной из сопрягаемых реакций над возрастанием свободной энергии в другой реакции, а кинетическим условием - устойчивость течения реакции при переносе через мембранный катализатор общего компонента сопрягаемых реакций вследствие достижения сверхравновесной его концентрации на одной из сторон мембранного катализатора".
Авторы: В. М. Грязнов, Л. К. Иванова, А. П. Мищенко.
Номер и дата приоритета: № 97 от 12 июня 1964 г.


Описание открытия.
Велика роль каталитических процессов в современной промышленности. С ними связаны переработка нефти в моторное топливо, производство синтетического каучука, пластмасс, полимеров, моющих синтетических средств и т. д. Сфера их применения неуклонно расширяется.
При пользовании существующими катализаторами в реакторах вместе с полезными продуктами образуются примеси, которые мешают дальнейшему ходу химического процесса. Чтобы избавиться от них, приходится затрачивать много сил. Сотни ученых разных стран работают над совершенствованием катализаторов.

В 1964 году доктор химических наук В. М. Грязнов, научный сотрудник Л. К. Иванова (Университет дружбы народов имени П. Лумумбы), кандидат технических наук В. С. Смирнов, кандидат химических наук А. П. Мищенко (Институт нефтехимического синтеза) открыли неизвестное ранее явление сопряжения реакций на мембранных катализаторах. Авторам открытия удалось найти оригинальный подход к решению этой проблемы.

Важной особенностью катализатора является избирательность действия, т. е. влияние преимущественно на одну из реакций, которая своим течением станет ускорять другую. В таком случае речь пойдет о сопряженном процессе. Сопряжение реакций, своего рода "взаимная помощь" реакций на мембранных катализаторах увеличивает скорость образования и выхода химических продуктов.

Химическая технология располагает богатым арсеналом способов разделения веществ. И все же химики никак не научатся имитировать тончайшие избирательные процессы разделения веществ в живых организмах. На первый взгляд здесь все легко и просто: сквозь стенки живой клетки, сквозь мембраны, разбивающие клетку на отсеки, одни вещества проникают легко, другие - трудно, а третьи вообще не могут проникнуть. Такие мембраны появились в результате длительной эволюции. Они обладают избирательной проницаемостью. Подобные мембраны обеспечивают, например, корневое питание растений. Возникающее благодаря им осмотическое давление делает упругими стебли и листья, гонит соки дерева вверх по стволу. Еще более тонкая проницаемость мембран защищает мозг животных от вредных веществ.

Среди мембран, изготовленных человеком, особое место занимают мембраны из палладия. Этот металл проницаем только для водорода. Проникший сквозь палладий водород содержит не более миллионной доли процента примесей. Палладий обладает и каталитическими свойствами в отношении многих реакций с водородом, в том числе реакций отрыва атомов водорода от других веществ. Именно такие реакции широко применяются при производстве синтетического каучука и других ценных продуктов. В данном случае водород мешает процессу синтеза. Если его непрерывно удалять через перегородку из палладиевой фольги, можно превратить в целевые продукты практически все исходные вещества.

Еще лучшие результаты достигаются в том случае, когда атомы водорода, которые отделились, например, от молекул бутилена, превращаются на одной стороне палладиевой перегородки в дивинил - мономер синтетического каучука, а затем проникают сквозь эту перегородку на другую ее поверхность, где реагируют с молекулой бензола. Образование дивинила облегчается удалением водорода, атомы которого присоединяются к молекулам бензола, а превращение бензола в циклогексан, необходимый для производства капрона и нейлона, ускоряется благодаря тому, что, пройдя сквозь палладиевую перегородку, водород приходит в высокоактивное атомарное состояние. Наконец, присоединение водорода к бензолу идет с выделением тепла, которое нужно отводить, а отщепление водорода от бутилена, наоборот, требует подведения тепла.

Авторы открытия теоретически и экспериментально доказали, что с помощью катализатора, проницаемого только для водорода, осуществляются три вида взаимодействия реакций: энергетическое, термодинамическое и кинетическое. Это существенно расширило наши представления о сопряженных реакциях. Основы таких представлений для гомогенных реакций, т. е. реакций, протекающих в одной среде, были заложены выдающимися русскими учеными А. Н. Бахом и Н. А. Шиловым. Открытие сопряжения реакций, идущих на поверхности раздела "твердое тело - газ" или "твердое тело - жидкость", дает ученым новые средства для исследования механизма катализа, управления им и повышения избирательности действия катализаторов.

На основе открытия могут быть разработаны принципиально новые технологические процессы. В одном аппарате с мембранным катализатором можно одновременно вести две реакции. При этом вещества, участвующие в обеих, не перемешиваются. Отпадает необходимость создавать сложные и дорогие системы разделения веществ, возрастают выход и скорость получения продуктов.

Авторами открытия разработаны научные основы способа одновременного получения дивинила из изобутана и бензола из толуола, дегидрогенизации нафтенов, дегидроциклизации парафинов. Созданы сплавы на основе палладия, являющиеся катализаторами, избирательно проницаемыми для водорода, и т. п. На все эти изобретения авторы открытия получили 17 авторских свидетельств в СССР и 20 патентов в Англии, Италии, США, ФРГ, Франции.

К числу реакций, которые могут быть сопряжены на мембранном катализаторе, относятся многие реакции получения мономеров синтетических материалов, ароматических углеводородов и других ценных веществ. Наряду с ними из нефти и попутных газов на мембранных катализаторах можно получать сверхчистый водород, который необходим для производства полупроводников и чистых металлов. В настоящее время во всем мире водород такой чистоты получают, используя перегородки из палладия или его сплавов, но менее экономичным способом.
Благодаря открытию сопряжения реакций на мембранных катализаторах появилась возможность разработки принципиально новых орудий труда и технологических процессов в химии.




Главная
КОСМОС
ЗЕМЛЯ
ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ
ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
МАТЕМАТИКА
Сайт создан в системе uCoz