کاتالیز در چهارراه‌ها: عملکرد هم‌زمان کاتالیز همگن و ناهمگن در یک فرآیند شیمیایی

خلاصه‌

کاتالیزورها ستون فقرات صنعت شیمی مدرن هستند و تقریباً ۹۰٪ محصولات شیمیایی صنعتی در فرآیندهای تولید خود به آنها متکی هستند. تا امروز، کاتالیزهای همگن و ناهمگن به عنوان دو دنیای جداگانه شناخته می‌شدند و پژوهش‌ها عمدتاً روی یکی از آنها متمرکز بودند. اما یافته‌های اخیر نشان می‌دهد که در سنتز وینیل استات، یک کاتالیزور می‌تواند همزمان در دو حالت همگن و ناهمگن فعالیت کند و مسیرهای واکنشی متفاوت را در یک چرخه ترکیب کند. این کشف، افق تازه‌ای برای طراحی فرآیندهای صنعتی با بهره‌وری بالا و سهولت عملیاتی بیشتر باز می‌کند.

حدود ۹۰٪ محصولات شیمیایی صنعتی در حین تولید از کاتالیزورها استفاده می‌کنند تا واکنش‌ها سریع‌تر انجام شوند، مصرف انرژی کاهش یابد و تولید ضایعات محدود شود. کاتالیزورها به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند:

• کاتالیزورهای همگن که در همان فاز واکنش‌دهنده‌ها قرار دارند و با پیوند مستقیم، انرژی فعال‌سازی واکنش را کاهش می‌دهند.

• کاتالیزورهای ناهمگن که در فازی متفاوت از واکنش‌دهنده‌ها قرار دارند و از طریق واکنش‌های سطحی عمل می‌کنند.

تا کنون، این دو مکانیزم به عنوان روش‌هایی کاملاً مجزا در نظر گرفته می‌شدند و تلاش‌های پژوهشی معمولاً به‌طور همزمان شامل هر دو نوع کاتالیزور نمی‌شد.

در صفحه ۴۹ این شماره، Harraz و همکاران گزارشی ارائه کرده‌اند از تبدیل متقابل بین کاتالیزورهای همگن و ناهمگن در همان چرخه کاتالیز سنتز وینیل استات. این یافته می‌تواند راه را برای طراحی فرآیندهای کاتالیزوری باز کند که بهره‌وری بالای کاتالیزورهای همگن را با سهولت عملیاتی کاتالیزورهای ناهمگن ترکیب کنند و کاربردهای صنعتی گسترده‌تری داشته باشند.

وینیل استات یک میان‌محصول صنعتی است که به طور گسترده در پوشش‌ها و چسب‌ها به کار می‌رود. بیش از پنج دهه است که این ترکیب آلی عمدتاً از اتیلن، استیک اسید و اکسیژن با استفاده از فرآیند بخار فازی کاتالیزوری ناهمگن تولید می‌شود.

در یکی از مکانیزم‌های پیشنهادی برای تولید وینیل استات، واکنش‌دهنده‌ها بر روی یک کاتالیزور پلاتینای ناهمگن جذب و فعال می‌شوند و به تدریج یک میان‌محصول پلاتین-اتیلن-استات شکل می‌گیرد. سپس وینیل استات تولید شده آزاد می‌شود و سطح کاتالیزور برای واکنش‌های بعدی دوباره اکسید می‌شود.

در مکانیزم دیگری که اغلب پیشنهاد می‌شود، تحت شرایط واکنش، یک لایه مایع روی سطح کاتالیزور شکل می‌گیرد که پلاتین اکسید شده را حل کرده و سپس به عنوان کاتالیزور همگن عمل می‌کند. در نتیجه، واکنش از مسیر کاتالیز همگن ادامه پیدا می‌کند و نه مسیر ناهمگن.

مشابه این پدیده، یعنی حل شدن پلاتین از یک کاتالیزور فلزی پشتیبانی‌شده در محیط واکنش و ایجاد کاتالیز همگن، در واکنش‌های شیمیایی دیگری نیز مشاهده شده است  و همچنین با فلزاتی غیر از پلاتین نیز گزارش شده است.

به دلیل سرعت بالای واکنش‌های کاتالیزوری، حتی با مجموعه‌ای از تکنیک‌های شناسایی، دشوار است که فاز فعال کاتالیزور در طول واکنش مشخص شود .

Harraz و همکاران با انجام یک تحلیل الکتروشیمیایی دقیق، یک تبدیل متقابل پویا بین فازهای کاتالیزور پلاتین همگن و ناهمگن در واکنش وینیل استات را آشکار کردند. در این فرآیند:

• نانوذرات پلاتین فلزی (ناهمگن) در یک لایه مایع استیک اسید خورده شده و به گونه‌های پلاتین اکسید شده (همگن) تبدیل می‌شوند، که واکنش اتیلن و استیک اسید برای تولید وینیل استات را کاتالیز می‌کنند.

• پس از انجام واکنش، پلاتین مولکولی دوباره به نقاط فعال پلاتین فلزی بازسازی می‌شود تا واکنش‌های بعدی انجام شود.

این ماهیت دوگانه کاتالیزور پلاتین که شامل هر دو فاز همگن و ناهمگن است، موجب همکاری بین دو مکانیزم کاتالیز در همان چرخه واکنش شد (به شکل مراجعه شود).

یک سیستم دوگانه مشابه نیز بین دو کاتالیزور ناهمگن جداگانه توصیف شده است . در این مطالعه، مخلوطی فیزیکی از کاتالیزورهای ناهمگن پلاتین و طلا به‌طور مشترک موجب برداشت اتم‌های هیدروژن از یک الکل و اکسیداسیون بعدی میان‌محصول آلدهید شدند. با این حال، هر دو کاتالیزور به‌طور ناهمگن عمل کردند و امکان یک اثر همکارانه همگن–ناهمگن پیشنهاد نشد .

یافته‌های Harraz و همکاران تمایز ویژه‌ای دارند زیرا نشان می‌دهند که چگونه کاتالیزورهای همگن و ناهمگن می‌توانند به‌طور همزمان در یک سیستم واکنشی عمل کنند.

یک مشاهده جالب دیگر، تعادل بین نرخ تبدیل متقابل مکانیزم‌های همگن و ناهمگن است. این تعادل مانع از جمع شدن پلاتین بازسازی‌شده (agglomeration) می‌شود که می‌تواند کاتالیزور را غیر فعال کند.

با این حال، عملکرد کاتالیزورهای فاز مایع به عوامل متعددی وابسته است، از جمله ترکیب کاتالیزور، نوع ماده بستر، و شرایط واکنش (۱۰). علاوه بر این، لایه مایع باید به‌طور یکنواخت روی بستر گسترده شود تا انتقال جرمی مؤثر بین واکنش‌دهنده‌ها و محصولات امکان‌پذیر شود.

بنابراین، شناسایی دقیق رابطه بین لایه استیک اسید و فعالیت کاتالیزوری در سنتز وینیل استات ضروری است. برای مثال، روش‌های پیشرفته‌ای مانند رزونانس مغناطیسی هسته‌ای با چرخش در زاویه جادویی در دما و فشار بالا (high-temperature and high-pressure magic angle spinning NMR) (۱۲) می‌توانند تحولات لایه مایع تحت شرایط صنعتی واقعی را مشخص کنند.

صنایع به دنبال راهکارهای کاتالیزوری برای بهبود پایداری و بازده انرژی هستند. برای مثال، بخش‌های شیمیایی به سمت فرآیندهای جریان پیوسته (continuous flow) حرکت می‌کنند که در آن محصولات همزمان تولید و از واکنش شیمیایی در حال انجام خارج می‌شوند. این روش می‌تواند هزینه‌های عملیاتی را بیش از ۴۰٪ کاهش داده و سرعت تولید را افزایش دهد .

با این حال، حل شدن فلز و از دست رفتن کاتالیزورهای ناهمگن که منجر به غیرفعال شدن کاتالیزور و آلودگی محصول می‌شود، از جمله چالش‌های اصلی در پذیرش فرآیندهای جریان پیوسته است .

یک راهکار پیشنهادی، ادغام تکنیک‌ها برای ایجاد تعادل بین فرآیندهای تبدیل متقابل همگن–ناهمگن است که می‌تواند به رفع این مشکلات کمک کند. علاوه بر این، شبیه‌سازی‌های محاسباتی می‌توانند واکنش‌های کاتالیزوری دیگری را شناسایی کنند که از یک مکانیزم دوگانه بهره‌مند می‌شوند.

تجارب پیشین نشان داده است که همکاری‌های بین‌رشته‌ای میان جوامع کاتالیزوری اغلب توسعه فناوری‌های پایدار را پیش می‌برد. همان‌طور که Harraz و همکاران نشان دادند، بازنگری فناوری‌های بالغ با رویکردهای نوین می‌تواند منجر به بینش‌های ارزشمند و کاربردی شود.