Введение к работе
Актуальності, работы.
Продукты переработки ксилита находят широкое применение в различных областях промышленности. Они используются в пищевой, текстильной, косметической, фармацевтической и микробиологической промышленности. Разработка простых методов их синтеза на базе промышленно-доступных соединений и подбор высокопроизводительных соединений и стабильных катализаторов является актуальной научно-технической задачей.
Одним из реальных путей получения полиолов является каталитическое гидрирование и гидрогенолиз углеводов. Химическая технология углеводов вообще обладает большими потенциальными возможностями, ещё не раскрытыми полностью. Ресурсы пищевого углеводсодержащего сырья для производства полисахаридов, содержащихся в низкокачественной древесине, гуза-пае, хлопке и отходах его переработки составляют сотни миллионов тонн, и, главное, ежегодно возобновляются, в отличие от традиционного химического сырья. Одним из путей интенсификации производства многоатомных спиртов является использование модифицированных различными легирующими металлами медных и никелевых катализаторов, обладающих высокой активностью, селективностью, стабильностью и сравнительно простой технологией приготовления. Однако процессы гидрирования и гидрогенолиза моноз, в том числе ксилозы на модифицированных сплавных медных и никелевых катализаторах под давлением водорода изучены недостаточно. Цель работы.
Диссертация посвящена разработке методов каталитического синтеза
ксилита, глицерина,- этиленгликоля и 1,2-пропиленгликоля из ксилозы,
синтезируемой из доступного растительного сырья, которое имеется в
достаточном количестве. В связи с этим в задачи исследований входит:
> установление закономерностей формирования структуры, текстуры и
адсорбционных свойств модифицированных скелетных Cu-AI и Ni-AI
катализаторов в зависимости от природы и количества вводимых в их состав
легирующих металлов;
J» выявление взаимосвязи между каталитическими свойствами в процессах
гидрирования и гидрогенолиза моноз, модифицированных различными
легирующими металлами скелетных медных и никелевых катализаторов и
их структурой, текстурой и адсорбционными свойствами;
установление выхода целевых продуктов и общей степени превращения
ксилозы в зависимости от природы и количества модифицирующих добавок
в скелетных Cu-AI, Ni-AI катализаторах оптимальных концентраций ксилозы
в водном растворе, давления водорода, температуры процессов, времени
контакта сырья с поверхностью катализаторов и других технологических
параметров процессов гидрирования и гидрогенолиза;
3» квантово-химическое исследование молекулы ксилозы, изучение механизма
каталитического гидрирования и гидрогенолиза ксилозы на
модифицированных скелетных катализаторах, расчет энергии
активации этих реакций; установление кинетических закономерностей протекания каталитических реакций гидрирования и гидрогснолиза ксилозы па модифицированных скелетных Cu-Al, Ni-Al катализаторах.
Научная новизна.
-
Установлены закономерности формирования структуры, текстуры и адсорбционных свойств, скелетных медных и никелевых катализаторов и сплавов, модифицированных различными легирующими металлами, в зависимости от природы и содержания модифицирующих добавок.
-
Показана взаимосвязь между каталитическими свойствами модифицированных добавок легирующих металлов скелетных промотированных Ni-Al, Cu-Al катализаторов в процессах гидрирования и гидрогенолнза ксилозы и их структурой, текстурой и адсорбционными свойствами.
-
Квантово-химическим исследованием рассчитаны энергии молекулярных орбиталей, полной энергии, дипольный момент, теплота образования, длины и энергии разрыва С-С связей молекулы ксилозы, что позволило теоретически обосновать полученные результаты экспериментов по гидрированию и гидрогенолизу ксилозы.
-
Показан механизм и установлены кинетические закономерности протекания процессов гидрирования и гидрогенолнза ксилозы на скелетных медных и никелевых катализаторах, модифицированных различными легирующими металлами.
Практическая ценность работы.
-
Добавкой небольших количеств (1-10%) различных металлов (Сг, Са, Fe, In, Nb, W, Mo, Ni, Zr, Zn, Ті) и ферросплавов в Cu-Al и Ni-Al сплавы разработаны высокоактивные модифицированные скелетные медные и никелевые катализаторы гидрирования и гидрогенолнза ксилозы. Найдены оптимальные составы предложенных модифицированных катализаторов и установлены оптимальные условия процессов гидрирования и гидрогенолнза ксилозы в их присутствии (концентрация ксилозы в водном растворе, температура реакции, давление водорода и время контакта сырья с поверхностью катализатора).
-
Гидрогенолизом полисахаридов, полученных гидролизом отходов переработки растительного сырья в присутствии модифицированных Cu-Al скелетных катализаторов, синтезированы глицерин и полиолы с достаточно высоким выходом целевых продуктов и общей степенью превращения исходных моноз.
-
Подготовлена и утверждена нормативно-техническая документация
Автор выносит нп защиту:
Имеющую большое народнохозяйственное значение усовершенствованную технологию получения ксилита и полполов из растительного сырья (семян хлопковой шелухи), с использованием на стадиях гидрирования ' и гидрогенолиза ксилозы в ксилит модифицированных Cu-AI-Me и Ni-Al-Me катализаторов, взамен промышленного алюмо-никель-титанового контакта. Апробация работы:
Материалы диссертации докладывались на научно-технической конференции «Проблемы развития химии и технологии органических соединений в Узбекистане» (г.Ташкент) 1998г., международной научно-практической конференции «Перспективные направления развития химии и химических технологий» (г.Шымкент) 1999г., республиканской научной конференции молодых ученых «Химики XXI века» (г.Алматы) 1999 г., республиканской научно-практической конференции «Ауезовскис чтения - 2» (г.Шымкент) 1999 г., на международной конференции «Проблемы вузовской и прикладной науки в Республике Казахстан» (г.Астана) 1999 г.
Основное содержание диссертации опубликовано в 10 научных статьях, получен предпатент Республики Казахстан. Структура работы:
Диссертация изложена в 120 страницах машинописного текста, включает 4 схемы, 20 таблиц и 9 рисунков, состоит из введения, аналитического обзора, 5 глав экспериментальных исследований и обсуждения полученных результатов, выводов, списка цитированной литературы (115 наименований) и приложения.
Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность работы, которые составляют предмет защиты диссертации.
В первой главе приводится анализ литературы по синтезу и технологии получения многоатомных спиртов, подчёркивается особая роль каталитического метода синтеза и отличительные особенности использования технологии получения многоатомных спиртов. На основании проведённого обзора сформулированы задачи исследования и методы достижения цели работы.
Во второй главе приведены методики эксперимента и анализа исходных веществ и продуктов реакции.
В третьей главе изложены результаты исследований по разработке метода синтеза многоатомных спиртов на модифицированных сплавных контактах.
В четвертой главе изложены результаты исследований физико-химических свойств промотированных контактов, выполненные с целью объяснения промотирующего эффекта добавок металлов в исходные Ni-Al и Cu-AI сплавы.
В пятой главе обсуждаются результаты исследования механизма гидрирования и гидрогенолиза ксилозы.
В шестой главе изложены результаты лабораторных и пилотных испытаний.
Автор выражает свою благодарность кандидату химических наук, доценту Кедельбаеву Б.Ш. за научные консультации и всемерную помощь при выполнении данной диссертации.