Kredit:Transmission Electron Microscope (TEM) bilder av Dele Peter Fapojuwo, University of Johannesburg. Grafisk design av Therese van Wyk, University of Johannesburg.
UJ-forskare tar ett nytt steg för att ändra hydrering till en säker, lågenergiprocess. De använder en mycket stabil trefasemulsion för att omvandla en giftig avfallsprodukt till värdefullt råmaterial. Processen behöver inte brandfarligt, komprimerad vätgas.
Emulsionskatalysen hydrerar nitrobensen effektivt vid rumstemperatur för att producera anilin. Anilin används i stor utsträckning inom läkemedelsindustrin. Den bimetalliska hydreringskatalysatorn återvinns helt efteråt.
Utan hydrering, det skulle inte vara möjligt att tillverka många av dagens läkemedel. Det är en ryggradsprocess för läkemedels- och kemisk industri. Men väte är dyrt. Säkerhetsåtgärderna för att förhindra explosioner i fabriker och laboratorier är också kostsamma.
Dock, om komprimerat väte inte behövs alls, betydande besparingar är möjliga. Det betyder också att många kemiska processer kan vara mycket säkrare och lättare att arbeta med.
Kemister från University of Johannesburg har visat detta, i forskning publicerad i Kolloider och ytor .
De omvandlade nitrobensen till anilin, med användning av en katalyserad hydreringsprocess i en Pickering-emulsion.
Emulsionsprocessen har potential att vara en mycket säkrare industriell hydreringsprocess än de som för närvarande används.
"Plockemulsioner har funnits i 150 år. Men att använda dem för katalys uppstod först 2014, " säger prof Reinout Meijboom. Meijboom är forskare vid institutionen för kemivetenskap.
Yoghurt, är ett exempel på en Pickering-emulsion. En sådan emulsion är en blandning av partiklar som lätt löser sig i vatten, och partiklar som lätt löser sig i olja. Det som gör yoghurt till en Pickering-emulsion är att den även innehåller enzymer, som är fasta partiklar som inte löser sig.
Nitrobensen produceras i enorma mängder globalt som avfall från kemisk tillverkning. Det är en mycket giftig, beständig organisk förorening som beskrivs av WHO, EPA och CDC, bland andra.
Tillverkningen av polyuretaner använder nitrobensen som mellanprodukt. Det används också som lösningsmedel vid petroleumraffinering. Färgämnestillverkares avloppsvatten innehåller ofta nitrobensen. Det är en oljig vätska och utgör en brandrisk.
Anilin är en industriellt betydelsefull handelsvara. Det är ett råmaterial för ett stort antal kemiska produkter, inklusive många läkemedel.
Processen som forskarna utformade använder toluen för att lösa upp nitrobensen. Detta utgör den första, organisk eller toluenfas i processen. För den andra vattenfasen, de löste natriumborhydrid i vatten.
Katalysatorn är den tredje fasen i processen. Den består av modifierade kiseldioxidmikrosfärer och palladium. De använde också en bimetallisk katalysator, där Palladium kombineras med kobolt eller nickel.
Om de tre faserna läggs samman, men inte blandad till en emulsion, kombinationen kan lagras i dagar eller veckor, säger Meijboom. En liten mängd hydrering äger rum, men processen kommer igång först när en ordentlig emulsion har bildats.
Katalysatorn fungerar också som ett stabiliserande emulgeringsmedel.
När de tre faserna blandas till en emulsion, katalysatorn sätter igång hydreringsprocessen. Bildandet av emulsionen tar några sekunder. Reaktionen tar cirka två timmar i laboratorieskala.
Vätet som behövs för hydreringen tillförs av den lösta natriumborhydriden. Hydrogenering sker effektivt vid rumstemperatur, vilket sparar energi.
Det finns inget behov av lagrat eller rörligt väte. Detta tar bort det mesta av explosionsrisken från processen.
Trefasprocessen i en Pickering-emulsion har fördelen av en mycket större katalytisk yta, jämfört med en enfas- eller tvåfasprocess, säger Meijboom.
Den katalytiska effektiviteten kan justeras genom att justera volymförhållandet mellan toluen- och vattenfaserna i Pickering-emulsionssystemet.
"Varje droppe toluen- och nitrobensenlösning i emulsionen blir effektivt en mikroreaktor. Det är så processen kan ställas in för att vara effektiv vid rumstemperatur, " han lägger till.
Kredit:Transmission Electron Microscope (TEM) bilder av Dele Peter Fapojuwo, University of Johannesburg. Grafisk design av Therese van Wyk, University of Johannesburg.
Efter att hydreringen är klar, den resulterande emulsionen är tillräckligt stabil för lagring i några dagar, innan anilinet separeras.
Studien är den första effektiva användningen av en bimetallisk palladiumkatalysator för hydrering av en aromatisk förening i ett vattenbaserat Pickering-emulsionssystem, säger Peter Dele Fapojuwo. Han är forskare vid institutionen.
"Genom att tillsätta nickel eller kobolt till katalysatorn, vi förbättrade spridningen av palladium på ytan av emulgatorn, " han lägger till.
Palladium är mycket dyrare än nickel eller kobolt, så användningen av den bimetalliska katalysatorn minskar kostnaderna ytterligare.
"Användningen av fasta partiklar som både katalysatorer och emulgeringsmedel, eller stabilisator, utgör ett mindre hot mot miljön jämfört med konventionella ytaktiva ämnen. Deras sammansättning är mindre giftig, säger Fapojuwo.
Reaktionsplattformen är betydligt säkrare när man använder natriumborhydrid som reduktionsmedel, snarare än väte, han lägger till.
"Hydrogenering med petroleumhärlett väte är varken helt miljövänligt eller ekonomiskt lönsamt. Det kräver högtrycksväte, vilket kräver dyr reaktorutrustning. Det ökar processkostnaderna, " han lägger till.
"I teorin, denna process kan anpassas till att hålla en fas i en reaktor med fast bädd och göra flödessyntes. Resultatet skulle bli en kontinuerlig process för katalytiska reaktioner mellan två oblandbara faser, säger Meijboom.
"Detta är bevis på principfasen. Vi arbetar för att generalisera processen, " han säger.
"Vi har designat en process som kan utökas till en rad industriellt viktiga reaktioner.
"Genom att använda emulsionskemi, vi har ett system där katalysator, emulgeringsmedel, vattenhaltig och organisk fas blandas ihop till ett extremt stabilt system, säger Meijboom.