ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ КАТАЛИЗАТОРОВ И ПЕПТИЗАТОРОВ НА СИНТЕЗ АЦЕТАЛЬДЕГИДА И АЦЕТОНА

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы является создание и изучение эффективности новых каталитических систем для синтеза альдегидов и кетонов. Для создания каталитических систем использовались местные компоненты, такие как Алтынтауский и Ангренский каолины. Разработка и внедрение новых каталитических систем приведет к уменьшению проблем, связанных с приобретением катализаторов, и принесет экономическую выгоду.

На основе местного сырья разработаны катализаторы с различными соотношениями исходных компонентов. Эффективность разработанных катализаторов определялась синтезом ацетальдегида и ацетона. Среди разработанных катализаторов наиболее эффективные результаты были достигнуты с использованием катализатора ККМ-4 (содержание оксида кадмия - 13%).

Показаны изменения элементного состава катализатора в состоянии ацетальдегида и ацетона до и после синтеза.

ABSTRACT

The purpose of this work is to create and study the effectiveness of new catalytic systems for the synthesis of aldehydes and ketones. Local components such as Altyntau and Angren kaolins were used to create catalytic systems. The development and implementation of new catalytic systems will reduce the problems associated with acquiring catalysts and bring economic benefits.

Based on local raw materials, catalysts with different ratios of initial components have been developed. The effectiveness of the developed catalysts was determined by the synthesis of acetaldehyde and acetone. Among the developed catalysts, the most effective results were achieved using the KKM-4 catalyst (cadmium oxide content - 13%).

Changes in the elemental composition of the catalyst in the acetaldehyde and acetone state before and after the synthesis are shown.

Ключевые слова: Ацетальдегид, ацетилен, ацетон, ККФ (фосфат кадмия кальция), каолин, CaO, CdO, H₃PO₄, Na₂SO₄, Ca₃ (PO₄) ₂, Purolite C - 100 катионит ацетат меди, ККМ (каолин кадмия меди), пептизатор, температура, микроскопический анализ СЭМ.

Keywords: Acetaldehyde, acetylene, acetone, KCF, kaolin, CaO, CdO, H₃PO₄, Na₂SO₄, Ca₃ (PO₄)₂, Purolite C - 100 cationite copper acetate, KCM, peptizer, temperature, microscopic analysis of SEM.

Введение. На синтез альдегидов и кетонов влияют многие факторы, такие как природа и состав катализаторов, активных компонентов, природа носителей, пептизаторы, температура, объемное соотношение исходных веществ, давление, скорость подачи сырья, сорбция [1].

В гетерогенном катализе влияние катализаторов, промоторов и пептизаторов на конечный продукт имеет большое значение. Приготовление активных катализаторов для синтеза альдегидов и кетонов является одной из актуальных задач химии и химической технологии. В качестве местного сырья для приготовления катализаторов использовали Олтинтогский и Ангренский каолины. Основную часть обогащенного каолина Алтынтау составляет каолинит.

Как указано в литературе, основным химическим составом природных слоистых алюмосиликатов является SiO₂ (30-70%), Al₂O₃ (10-40%) и различные добавки. Слоистые силикаты встречаются преимущественно в тетраэдрической кремний-кислородной (Т-решетка) и октаэдрической форме в структуре кислород-гидроксильной решетки Al или Mg. Слоистые силикаты делятся на типы 1:1 и 2:1: В слоистых алюмосиликатах со структурой 1:1 решетка кремний-кислородных тетраэдров встречается в связанной форме с решеткой октаэдров Al³⁺, Fe²⁺ или Mg²⁺. Слои этого типа каолинита в основном электронейтральны. Кристаллическая структура каолинита состоит из двух слоев: тетраэдрического слоя с кремний-кислородом и октаэдрического слоя с алюминий-кислородными гидроксилами. Параллельно расположенные слои гидроксильных групп в каолинитах образуют водородные связи между тетраэдрическими соседними слоями, примыкающими к атомам кислорода в октаэдрической решетке [2-3].

Термодинамические расчеты литературного анализа показывают, что основными исходными материалами для промышленного производства альдегидов и кетонов являются ацетилен, вода, катализатор. При взаимодействии ацетилена с водой в присутствии гетерогенных катализаторов при высоких температурах образуются ацетальдегид, ацетон, кротоновый альдегид и другие дополнительные сложные вещества [4-7].

Этот процесс осуществляется путем гидратации ацетилена в диапазоне температур 350-410°C.

Объект и методы исследования. В данной исследовательской работе изучено влияние природы различных пептизаторов и катализаторов на выход альдегидов и кетонов, синтезированных на основе ацетилена и воды.  Катализаторами реакции синтеза (ККМ) являются каолин, оксид кадмия (CdO) и оксид меди (CuO).

Состав синтезированного вещества анализировали с помощью рефрактометра 454B2M URF, потенциометрическим титрованием и газожидкостной хроматографией (ГЖХ).

Микроскопическое изображение и элементный состав приготовленных катализаторов изучали на приборе SEM EVO MA 10.

Полученные результаты и их обсуждение

Катализатор ККФ является активным катализатором. Микроскопическое изображение и элементный состав катализатора ККФ анализировали на приборе SEM EVO MA 10.

Рисунок 1. Микроскопическое изображение катализатора марки ККФ перед синтезом

Рисунок 2. Элементный состав катализатора марки ККФ перед синтезом

Микроскопические изображения и элементный состав на рисунках 1 и 2 показывают, что активный компонент кадмия (Cd) в составе катализатора марки ККФ составлял 28,17% до синтеза.

Рисунок 3. Микроскопическое изображение катализатора марки ККФ после синтеза

Рисунок 4. Элементный состав катализатора марки ККФ после синтеза

Микроскопические изображения и элементный состав на рисунках 3 и 4 показывают, что активный компонент кадмия (Cd) в составе катализатора марки ККФ снизился до 6,40% после синтеза.

Новый катализатор, приготовленный с использованием переработанного катализатора ККФ и выделенного оксида кадмия (CdO), был использован для синтеза ацетальдегида и ацетона, и этот процесс изучался в диапазоне температур 350-410°C.

При температуре выше 410°C выход синтезируемого продукта замедляется. В результате повышается выход побочных продуктов. При температуре выше 410°C оксид кадмия ускоряет переход от активного компонента к металлическому кадмию, то есть атом водорода (CdO), выделяющийся при дегидрировании промежуточных продуктов в реакционной среде, превращает оксид кадмия (Cd⁺²) в металлический кадмий, что приводит к снижению каталитической активности катализатора.

Результаты зависимости синтезированного продукта от природы и состава катализатора представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Зависимость образования ацетальдегида и ацетона от природы катализатора (температура синтеза - 410°C)

Данные таблицы 1 показывают, что выход продукта зависит от природы катализатора и температуры. С повышением температуры 350-410°C увеличивается образование ацетальдегида и ацетона. Установлено, что среди приготовленных катализаторов наибольший выход ацетальдегида наблюдается в присутствии катализатора ККМ-4 (76%). Образование альдегидов и кетонов также зависит от количества активного ядра каолина и CuO в составе катализатора.

Для повышения активности катализатора использовались пептизаторы.  При обработке катализатора ортофосфорной кислотой кислотные свойства катализатора повышались и одновременно использовались при эффективном синтезе альдегидов и кетонов. Выход продукта также зависит от пептизаторов.

Анализ экспериментов показывает, что в таблице 2 ниже представлены результаты приготовления катализаторов в процессе пептизации на основе различных минеральных кислот.

При приготовлении катализаторов на основе минеральной кислоты H₂SO₄ (в концентрации 70%) и при приготовлении катализаторов на основе пептизации минеральных кислот HNO₃ (в концентрации 56%), HCl (в концентрации 20%) и H₃PO₄ (в концентрации 85%) наблюдалось образование альдегидов и кетонов с высоким выходом.

Таблица 2.

Зависимость выхода продуктов синтеза от природы пептизаторов (температура синтеза -410 °C)

Как видно из таблицы 2, при обработке катализатора органическими и минеральными кислотами было обнаружено, что кислотные свойства катализатора увеличиваются.

Также установлено, что процессы адсорбции на катализаторе марки ККМ-4 протекают эффективно. Анализ показывает, что процесс адсорбции на катализаторе ККМ-4 осуществлялся с помощью кислот, в результате чего пористость катализатора была высокой, а его активность увеличилась.

Заключение: В данной исследовательской работе изучено влияние природы катализаторов и пептизаторов на синтез ацетальдегида и ацетона. Изучены свойства активных катализаторов, содержащих соединения кадмия для синтеза ацетальдегида и ацетонов.

Также установлено, что в результате гидратации ацетилена увеличивается выход ацетальдегида и ацетона. Установлено, что среди приготовленных катализаторов наибольший выход ацетальдегида и ацетона наблюдается в присутствии катализатора ККМ-4 (каолин-67,0, CdO-13,0, CuO-20,0) (76%).

Установлено, что использование ортофосфорной кислоты в качестве пептизатора приводит к повышению активности катализатора. Показаны изменения элементного состава катализатора в состоянии ацетальдегида и ацетона до и после синтеза.

Список литературы:

1. Икрамов А., Кулдошев А., Зиядуллаев А.Э. Cравнительные активности гетерогенных катализаторов на основе соединений металлов d-группы при гидратatsiи ацетилена // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2022. 12(105). URL: https: //7universum.com/ru/ tech/archive/item/ 14701 (дата обращения: 10.12.2024).
2. Muminova, N., & Abdullaev, N. (2022, June). Sensor for control of hydrogen fluoride content in a gas medium. In AIP Conference Proceedings (Vol. 2432, No. 1, p. 050024). AIP Publishing LLC
3. Кодиров.С.М., Вапоев.Х.М. Получение производных пиридина гетерогенно-каталитическим методом. Материалы докладов 86-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов. Минск, 2022. Страница 178.
4. Isatullaevna, M. N., Kovulovich, A. N., & Barotovna, M. F. (2024). Monitoring Toxic Gases and its Safety for the Environment. Miasto Przyszłości, 47, 1017-1018.
5. Герасимова Н.С. Потенциометрические методы анализа : Методические указания к выполнению домашних заданий по аналитической химии // Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана. Москва 2010. с.44
6. Sidikova, K., Muminova, N., & Abdurakhmanov, E. (2024). Synthesis of porous gas materials for a semiconductor carbon (ii) oxide sensor and their investigation. In E3S Web of Conferences (Vol. 474, p. 01023). EDP Sciences.
7. Вапоев Х. М., Мухиддинов Б. Ф., Нурмонов С. Э., Шодикулов Д. М. // Синтез 2-метилгексин-3-диола-2,5 гетерогенно-каталитическим методом // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology, 2019.
8. Икрамов А., Коротаев А.В., Батиров Б.Б., Ширинов Х.Ш., Юсупов Б.Д. Разработка и исследование  свойств новых каталитических систем для  гидрататсии атситилена.// Химическая технология. Контрол и Управление. –Ташкент, 2006. –№1. –С.18-21.
9. Muminova, N., Sidikova, K., & Abdurakhmanov, E. (2024). Investigation of teos hydrolytic polycondensation in the synthesis of gas-sensitive films for a semiconductor carbon (II) oxide sensor. In E3S Web of Conferences (Vol. 474, p. 01021). EDP Sciences.
10. Abdurakhmanov1, Kh. G.Sidikova, I. E.Abdurakhmanov, N.I.Muminova Elaboration And Investigation Of Metrological Characteristics Of Semi-Conductor Sensor Of Methane/ International Journal of Advanced Science and Technology Vol. 29, No. 7, (2020) (Scopus)
11. Abdurakhmanov, E., Eshkabilova, M. E., Muminova, N. I., Sidikova, K. G., & Pardaeva, S. M. (2022). Template Synthesis of Nanomaterials based on Titanium and Cadmium Oxides by the Sol-Gel Method, Study of their Possibility of Application As A Carbon Monoxide Sensor (II). Journal of Pharmaceutical Negative Results, 1343-1350.